В последних нескольких lesson нашего Наука обжарки course, мы исследовали фронт испарения, который образуется внутри кофейных зерен при их обжаривании. В обжарке кофе это явление имеет почти мифический статус. Его даже называли возможной причиной первая трещина, но по этой теме очень мало прямых исследований и много предположений. 

В этом посте мы более подробно рассмотрим, что нам известно о том, как влага испаряется во время обжарки, и объясним некоторые причины, почему испарение так важно для обжарки кофе.

Когда испаряется влага?

К сожалению, очень сложно точно измерить, что происходит с влажностью зерен во время обжарки. По сути, есть два подхода: либо брать образцы зерен на разных стадиях обжарки, либо измерять оставшееся содержание влаги в образце; или измерить влажность, выделяемую в выхлопных газах.

Каждый подход сопряжен с проблемами: если вы измеряете содержание воды в образцах из жаровни, их необходимо сначала охладить, в течение которых они могут продолжать выделять влагу или поглощать ее из воздуха. Для измерения содержания влаги в сушильном шкафу — наиболее точном методе — может потребоваться измельчение зерен, после чего они могут выделять больше влаги или других газов, что может повлиять на результат (Шенкер 2000).

Другой подход, измеряющий влажность в выхлопной трубе, технически довольно сложен. Это также затрудняет различие между существующей влагой в испаряемых зернах и дополнительной влагой, которая образуется в результате химических реакций во время обжарки.

Джеймс Дэвисон, инженер-химик и основатель Уильямстаун Ростерс, использовали второй подход для измерения влаги, выделяемой бобами во время обжаривания. В его результатах, показанных на графике ниже справа, общее количество выделяемой воды составляет около 16% от первоначального веса зеленых бобов, но значительное количество воды, которое он обнаружил, должно было образоваться во время обжаривания.

Изготовленный на заказ анемометр, используемый для измерения расхода воздуха в выхлопной трубе в экспериментах Джеймса Дэвисона.

Все это означает, что трудно быть уверенным в содержании влаги в зернах во время обжарки, а попытки измерить ее часто дают противоречивые результаты. Однако большинство имеющихся данных свидетельствуют о том, что влага постоянно испаряется на протяжении всего обжаривания, а не только во время так называемой «фазы сушки» в начале обжаривания.

Два подхода к измерению потере влаги. Левый график, адаптированный из Шенкер (2000), показывает содержание влаги в образцах бобов, отобранных на разных стадиях обжарки в обжиговой печи с псевдоожиженным слоем, работающей при фиксированной температуре. Правый график, из Дэвисон (2019) основан на содержании влаги, измеренном в выхлопных газах во время обжига. Эти измерения были сделаны в барабанном ростере и показывают отчетливый всплеск испарения влаги при первая трещина. Общее содержание воды рассчитывается на основе влаги, испарившейся в стеке, и, следовательно, включает воду, образующуюся в результате химических реакций во время обжарки.

Но это не означает, что содержание влаги уменьшается равномерно по всему зерну. Вместо этого для большей части обжарки существует четкое разделение между сухой областью снаружи зерна и влажной областью внутри. Между ними находится слой, где влага испаряется и уходит из зерна — фронт испарения.

Фронт испарения

Основная идея фронта испарения заключается в том, что сначала вода должна выйти из внешнего слоя бобов. В начале обжарки температура зерен быстрее всего повышается вблизи поверхности зерен, и тепло медленнее распространяется к внутренним слоям. Поэтому влага у поверхности зерен испаряется первой, создавая слой водяного пара во внешней части зерен — фронт испарения.

Когда температура зерен поднимается выше 100°C, давление внутри зерен начинает расти, так как пар накапливается быстрее, чем может выйти. Давление во время обжарки может достигать 25 бар (Боннлендер и др., 2005 г.) — более чем в два раза превышает давление, которое вы найдете в покрышке олимпийского трекового велосипеда. Высокое давление затрудняет испарение воды, поэтому бобы все еще содержат жидкую воду или воду, связанную со структурой бобов, при температуре значительно выше точки кипения. Это работает точно так же, как паровой бойлер в вашей эспрессо-машине содержит как пар, так и воду при температуре 120°C или выше: давление предотвращает испарение воды, что позволяет температуре подняться выше обычной температуры кипения.

Во внешних слоях фасоли пар может выходить через поры фасоли, давление падает, а оставшаяся вода испаряется. Во внутренних слоях боба пар не может выйти, потому что он со всех сторон окружен паром высокого давления.

Фронт испарения. Сердцевина боба (1) содержит как жидкую/связанную воду, так и пар под высоким давлением. Пар не может выйти, потому что со всех сторон окружен высоким давлением. Пар выходит из внешнего слоя зерен (2). Между ними находится слой, в котором жидкая/связанная вода может превратиться в пар — фронт испарения (3).

В результате получается сухой слой на внешней стороне бобов, в то время как центр все еще содержит много влаги. По мере обжаривания фронт испарения движется внутрь к центру зерен, поскольку все больше и больше пара выходит из зерен.

Важность испарения

Для превращения воды в пар требуется много энергии — необходимая энергия называется скрытая теплота парообразования. Понимание этого является ключом к пониманию того, как испарение влаги влияет на то, как зерна реагируют на тепло в жаровне.

Если вы нагреваете воду с фиксированной скоростью, температура воды постепенно увеличивается. Однако при 100°С происходит нечто странное. Вы продолжаете нагревать, но температура перестает расти, и вода остается на уровне 100°C. Эта энергия теперь идет на превращение воды в пар, а не на повышение температуры воды. Фактически, для превращения воды в пар требуется в пять раз больше энергии, чем для нагрева воды от 0 до 100°C.

В скрытая теплота парообразования воды. При добавлении тепла температура воды повышается до 100°C, но затем останавливается. Любое дальнейшее добавленное тепло используется для испарения, пока вся вода не превратится в пар.

Это означает, что на фронте испарения большая часть энергии, поглощаемой бобами, уходит на испарение воды, а не на повышение температуры. С другой стороны, во внешнем слое бобов все это тепло может пойти на запуск химических реакций и повышение температуры бобов.

Эффект этого заключается в том, что любое тепло, проникающее в бобы, способно повышать температуру внешнего слоя быстрее, чем внутреннего слоя.

Барьеры для тепла

По мере обжарки внешний слой также начинает действовать как барьер, уменьшая количество тепла, достигающего центра зерна. Во-первых, внешний слой высыхает. Сухой кофе проводит тепло хуже, чем влажный, поэтому сухой внешний слой действует как дополнительный барьер для тепла, достигающего центра. Во-вторых, внешний слой начинает становиться более пористым по мере разрушения клеточной структуры. Поры являются изолирующими, потому что они заполнены газом — только подумайте, как работает пенополистирол. В результате увеличенный объем пор делает внешний слой еще менее эффективным в передаче тепла к центру.

Поскольку внешний, сухой слой хуже проводит тепло к зерну, начинает формироваться температурный градиент, при этом поверхность зерна становится самой горячей. Сердцевина фасоли, где структура еще влажная и плотная, лучше проводит тепло. Любое тепло, достигающее этой зоны, легче передается сердцевине, поэтому температура внутри сердцевины зерен выше. гомогенной.

Фронт испарения предотвращает попадание тепла в центр зерна. Во внешнем слое фасоли (1) структура фасоли расширена и пориста, а содержание влаги низкое, поэтому она не проводит тепло эффективно к внутренним слоям. Это приводит к резкому градиенту температуры между внешней и внутренней частью зерна. На фронте испарения (2) влага поглощает тепло и превращается в пар. Центр боба (3), более плотный и влажный, чем поверхность, проводит тепло эффективнее, чем поверхность, поэтому центр имеет более высокую влажность. гомогенной температура

Моделирование фронта испарения

Мы не можем видеть фронт испарения напрямую — мы только предполагаем, что он есть, потому что так происходит сушка в других материалах. Однако мы можем предсказать, что произойдет, используя математическое моделирование. В серии работ исследователи из Оксфордского университета и Джейкобс Доу Эгбертс построили математическую модель, описывающую поведение влаги внутри бобов во время обжарки.

Они обнаружили, что их модель предсказывала две очень разные зоны внутри фасоли: зону высокого давления в центре, в которой продолжают пар и жидкая или связанная вода, и четкую зону на краю фасоли, которая была полностью сухой — с узким фронт испарения между ними (Фадаи и др., 2016 г.).

Фронт испарения, предсказанный моделированием. Область i содержит пар и жидкую/связанную воду под высоким давлением и постепенно сужается по мере продвижения фронта испарения внутрь. Область II полностью сухая. Адаптированы из Фадаи и др. (2016)

Удивительно, но их модель предполагает, что температура почти одинакова по всему зерну. Это может означать, что влияние фронта испарения на теплопередачу относительно невелико и что то, как влага уходит из зерен, более важно для определения того, как обжаривается кофе, чем то, насколько легко тепло проникает к центру.

Разница температур между центром и поверхностью зерна, возможно, зависит от условий обжарки. Шенкер (2000) вставил крошечный датчик температуры в фасоль, чтобы измерить разницу между температурой внутри фасоли и температурой кучи фасоли, которую дает датчик «температуры фасоли». Насколько близко температура сердцевины и вороха зерен совпадала, зависела от общей скорости обжарки — более быстрая и горячая обжарка показала большую разницу, в то время как при более медленной обжарке температура сердцевины зерен сравнялась с температурой вороха зерен примерно в середине процесса обжарки. жарить.

Температура вороха зерен и сердцевины зерен во время обжаривания в ростере с псевдоожиженным слоем, работающем при фиксированных температурах. Температура сердцевины зёрен отстает от температуры ворса зёрен, но в конце концов догоняет её при более медленной обжарке. Использовались три профиля: высокотемпературный, кратковременный (ВТКП); среднетемпературный, средневременной (MTMT); и низкая температура, долгое время (LTLT). Адаптированы из Шенкер (2000)

Фронт испарения и Первая трещина

Фронт испарения имеет еще один важный эффект. По мере повышения температуры бобов в какой-то момент материал бобов претерпевает переход из эластичного состояния в эластичное. хрупкий один — называется стеклованием. Температура, при которой это происходит, зависит от количества влаги — если влаги больше, стеклование происходит при более низкой температуре.

Включение этого в модель фронта испарения дает интересный эффект: при определенной температуре сердцевина бобов подвергается стеклованию, так как в ней больше влаги, становится резиноподобной и способна расширяться при повышении давления пара. Внешний слой фасоли, с другой стороны, остается хрупкий потому что он суше и поэтому сопротивляется этому расширению. По мере повышения температуры зерен напряжение накапливается, поскольку внутренняя область пытается набухнуть, но сдерживается зернистостью. хрупкий Наружный слой. Этот стресс может быть причиной первая трещина (Фадаи и др., 2019 г.).

Лучшее понимание того, как влага испаряется из зерен, может помочь объяснить обжарку кофе гораздо больше, чем мы думали ранее. Если напряжение, возникающее между внутренним и внешним слоями зерен, является причиной первая трещина, а затем изменение того, как влага уходит из зерен, или контроль времени стеклования в различных слоях кофе, может иметь серьезные последствия для контроля общего профиля обжарки.