یکنواختی عصاره‌گیری و کانال‌سازی
مدتی است که در تلاش هستم تا جزئیات کانال‌سازی در قهوه‌ی تهیه شده به روش چکانه‌ای را درک کنم، و نهایتا متوجه شدم که پیدا کردن توضیحی قانع کننده درمورد ایجاد ناگهانی کانال (و متعاقبا گسی)، زمانی که قهوه ریز آسیاب می‌شود بسیار مشکل است؛ حتی اگر بستر قهوه در پایان دم‌آوری صاف به نظر برسد.
نهایتا دیروز یک مقاله علمی درباره‌ی نفوذ (Percolation) در محیطِ پرمنفذِ غیریکنواخت پیدا کردم که فکر می‌کنم ممکن است همان قطعه‌ی گم شده در نگرش ما به کانال‌سازی باشد.
قبل از آنکه بررسی موضوع اصلی را شروع کنیم، مایل‌ام تا مختصرا توضیح دهم که چرا جستجو در مورد نفوذ در گوگل، منجر به یافتن مطالب متعددی می‌شود که ارتباطی به نفوذپذیری آب در یک محیط پرمنفذ ندارد. ریاضیاتی که برای توضیح حرکت آب از میان یک محیط پرمنفذ استفاده می‌شود، برای توضیح در مورد بسیاری از سیستم‌های دیگر در فیزیک نیز استفاده می‌شود. این بخش از ریاضیات که به آن ”تئوری نفوذ“ گفته می‌شود، کاربرد بسیاری در توضیح سیستم‌های آماری گسترده دارد؛ مانند آنچه که اغلب در فیزیک کوانتوم با آن مواجه می‌شوید. بنابراین، اکثر آنچه که آنلاین پیدا می‌کنید، بیشتر حول کوانتوم یا فیزیک ذرات است تا دم‌آوری قهوه.
برگردیم به مقاله‌ی علمی که در بالا به آن اشاره شد، نویسندگان برای مدل‌سازی جزئیات اینکه چگونه یک سیال در مجموعه نامنظمی از موانع جریان پیدا می‌کند، از شبیه‌سازی کامپیوتری استفاده می‌کنند؛ که دقیقا همان چیزی است که وقتی قهوه دم می‌کنیم اتفاق می‌افتد. آب در اطراف ذرات قهوه جریان پیدا می‌کند، و از آن جایی که این ذرات شکل و اندازه‌های متنوعی دارند، حفره‌های بین آن‌ها نیز (که می‌توانیم به آن‌ها منفذ بگوییم) بسیار نامنظم‌اند. آب در جایی که حفره‌ها بزرگ‌تراند جریان سریع‌تر و در جایی که حفره‌ها کوچک‌تراند، جریان آهسته‌تری دارد.
این نتیجه دو موضوع است: «شرطِ مرزیِ عدمِ لغزش» (No-Slip Boundary Condition) که بیانگر این است که لایه‌ی آبی که بلافاصله سطح جامدی را لمس می‌کند، باید سرعت‌اش صفر باشد؛ و این حقیقت که آب گران‌رو است به این معناست، که لایه‌های بعدیِ آب، نمی‌توانند در سرعت به راحتی تفاوت‌های زیادی با هم داشته باشند. شرط مرزی عدم لغزش، نتیجه‌ی بزرگ‌تر بودن چسبندگی میان مولکول‌های آب و جامدات، نسبت به پیوستگی مولکول‌های آب در میان خودشان است. این موضوع در اکثر شرایط زندگی واقعی، که دم‌آوری قهوه نیز یکی از آن‌ها است، صدق می‌کند.
به عبارت دیگر، اگر مجرایی کوچک در فاصله میان ذرات قهوه که آب در آن جریان دارد را تصور کنید (مجرا را به صورت افقی در نظر بگیرید)، لایه‌ی نازک آبِ کناره‌های مجرا که با یک ذره قهوه در تماس است، حرکت نکرده و لایه‌ای که مستقیما روی آن قرار دارد (به سمت مرکز مجرا)، فقط می‌تواند به آرامی حرکت کند. لایه بعدی آب که بالاتر از این لایه‌ها است، می‌تواند اندکی سریع‌تر از لایه‌ی قبلی حرکت کند، و این رویه همین گونه ادامه پیدا می‌کند تا به لایه مرکزی مجرا برسید. می‌توان این‌طور تصور کرد که یک مجرای عریض‌تر، جریان مرکزی بزرگ‌تری خواهد داشت و بنابراین میانگین جریان نیز بیشتر خواهد بود.
این هم نمایی از شبیه‌سازی کامپیوتری آن است:
در تصویر بالا از استنلی (2003)، پیکسل‌های سفید موانعی برای جریان آب هستند (بسیار شبیه به ذرات قهوه) و رنگ‌های قرمزتر به مناطقی اشاره دارد که آب در آن‌ها جریان شدیدتری دارد. تصویر را چرخاندم تا به قهوه‌ی چکانه‌ای که آب در آن جریان رو به پایینی دارد، شبیه‌تر شود. شبیه‌سازی بالا مانند یک وی60 است که با سرعت بسیار پایین 5 mg/s چکه می‌کند.
می‌توانید ببینید که جریان آب چندان یکنواخت نیست، و بعضی از توده‌های ذرات تمایل دارند تا از بیشتر جریان آب جدا بمانند (مناطق آبی رنگ). در مورد دم‌آوری قهوه، از این ذرات کم عصاره‌گیری می‌شود. اما اکنون اجازه دهید که ببینیم اگر جریان آب را به وسیله اعمال فشار بیشتر بر آن، افزایش دهیم چه اتفاقی می‌افتد:
تصویر بالا نیز یک شبیه‌سازی از استنلی است (2003) با یک جریان کلی که هزار برابر شده است. این تصویر مطابق با یک وی60 است که با سرعتی نسبتا شدید 5 g/s چکه می‌کند.
اگر با دقت به عکس دوم نگاه کنید، متوجه خواهید شد که توده‌های ذرات بسیار کمتری هستند که از جریان آب جدا مانده‌اند و اکنون جریان به طور کلی نسبت به قبل اندکی یکنواخت‌تر است (هرچند که هنوز هم به طور کامل یکنواخت نیست). نویسندگان این مقاله‌ی علمی تصمیم گرفتند که این یکنواختی جریان کلی را به صورت عینی توصیف کنند. چنین کاری برای ما عالی است، زیرا این مورد به طور مستقیمی بر یکنواختی عصاره‌گیری تاثیر می‌گذارد. برای انجام این کار، آن‌ها انحراف معیار انرژی جنبشیِ آب (انرژی حرکت آن) را به راحتی از میان پیکسل‌های موجود در شبیه‌سازی اندازه گرفتند، و سپس معکوس آن مقدار را π نامیدند. مقادیر بزرگ‌تر π به معنای جریان یکنواخت‌تر است، و مقادیر کمتر آن به معنای جریان بسیار غیریکنواخت است، و یا طبق گفته خودشان فقط در مسیرهای کمی ”متمرکز شده‌اند“. برای یک جریان کاملا یکنواخت π برابر یا یک خواهد بود (چنین چیزی نمی‌تواند حتی با ذرات کروی کاملا یکدست نیز اتفاق افتد زیرا آب همچنان باید اطراف آن‌ها بگردد)، و π برای یک جریان به شدت غیریکنواخت، نزدیک به صفر خواهد بود. این نویسندگان، سرعت جریان را برحسب «عدد رینولدز» (Re) پارامتر‌سازی کردند، که ما نیاز نداریم وارد این مبحث شویم؛ فقط باید بدانیم که عدد رینولدز بیشتر، برابر با یک جریان کلی سریع‌تر است.
همان‌طور که می‌بینید، سرعت‌های چکیدن بسیار آهسته، برابر است با ساختاری مسطح به همراه یکنواختی بسیار ضعیفی که زیاد به سرعت کلی جریان وابسته نیست، اما بالاتر از محدوده عدد رینولدز، که تقریبا برابر با 0.6 است، یکنواختی بیشتری مشاهده می‌کنیم زیرا که جریان کلی بیشتری داریم. حال سوال این است: کدام عدد رینولدز با آماده‌سازی واقع گرایانه‌ی وی60 مطابقت دارد؟ آیا ما در ساختاری هستیم که در آن جریان بر یکنواختی تاثیر دارد یا خیر؟
برای پاسخ دادن به این سوال، از ساختار وی60 پلاستیکی برند هاریو، 22 گرم سابه‌ی قهوه و آب با دمای 90 درجه سانتی‌گراد برای مایع بینابینی استفاده کردم تا این اطلاعات را برای دم‌آوری وی60 و به صورت گرم بر ثانیه، برگردانم. محدوده‌ی پایین‌تر از 0.6 که در آن جریان تاثیر بسیار کمی بر یکنواختی دارد، برابر با سرعت چکانه‌ای 0.2 (گرم بر ثانیه) برای یک وی60 است که به شدت آهسته است. اگر محور x (افقی) تصویر بالا را تبدیل کنیم تا در مورد سرعت چکانه‌ی وی60 صحبت کنیم و به جای لگاریتم آن را به صورت خطی ترسیم کنیم، به این تصویر می‌رسیم:
بعضی از نقاط داده‌ها را در حالت «جریان آهسته» برای بهتر دیده شدن تصویر، حذف کردم زیرا بسیار شلوغ شده بود.
اگر می‌خواهید که سرعت چکانه‌ی وی60تان را اندازه بگیرید، نیاز دارید تا از پایه‌ی دم‌آوری (پایه‌ی نگه‌دارنده‌ی وی60 که میان آن و ظرف نوشیدنی نهایی فاصله ایجاد می‌کند) استفاده کنید و به جای وزن کردن میزان کل آب، وزن نوشیدنی خود را اندازه‌گیری کنید. برای انجام این کار، از دو ترازوی Acaia (یک Pearl و یک Lunar) و یک پایه‌ی دم‌آوریِ هاریو استفاده کردم (اطمینان حاصل کنید که ظرف نوشیدنی نهایی شما بیش از حد بلند نباشد) که به من این اجازه را می‌دهند تا نموداری با جزئیاتی مانند این درست کنم:
اگر به خط‌چین بنفش تیره دقت کنید، می‌بینید زمانی که وی60 بیش‌ترین میزان آب را در خود داشت، سرعت جریان تقریبا برابر با 3 گرم بر ثانیه بود. و زمانی که وی60 تقریبا خالی شد، سرعت جریان تا 1 گرم بر ثانیه پایین آمد و من را درست در ساختاری قرار داد که در آن سرعت جریان بر یکنواختی جریان و نتیجتا تا حد زیادی بر یکنواختی عصاره‌گیری اثر می‌گذارد.
علت جالب بودن این موضوع این است که: این موضوع می‌تواند توضیح دهد که چرا وقتی قهوه را خیلی ریز آسیاب می‌کنیم، به یکباره نوشیدنی گس می‌شود، حتی اگر توسط جریان آب هیچ کانالی به طور فیزیکی در بستر قهوه بوجود نیامده باشد. فکر می‌کنم اگر چنین چیزی را «اثر کانال‌سازیِ جریان غیریکنواختِ کم‌سرعت» بنامیم، گیج کننده باشد؛ ترجیح می‌دهم تا این اصطلاح را برای موقعیت‌هایی نگه دارم که بستر قهوه توسط آب شسته شده و ذرات قهوه به کنار رفته و یک کانال شکل گرفته است. در عوض به شخصه ترجیح می‌دهم تا از این مورد به عنوان «یکنواختی جریان» یا نتیجه‌ی مستقیم آن، یعنی «یکنواختی عصاره‌گیری» صحبت کنم.
مقالات مرتبط:
تجزیه و تحلیل فرآیند آسیاب قهوه
میزان کافئین در قهوه‌ی تیره‌برشت بیشتر است یا روشن‌برشت؟
بیماری‌ها و آفات عمده‌ی گیاه قهوه
و اما درباره مقاله علمی، یک محدودیت عمده در شبیه‌سازی کامپیوتری این نویسندگان وجود دارد: در این شبیه‌سازی، بستر قهوه به عنوان یک شیء ثابت و بی‌حرکت در نظر گرفته شد. بنابراین هیچ سایشی در بستر قهوه نمی‌تواند رخ دهد، و هیچ کانالی توسط آب نمی‌تواند بوجود آید. به همین دلیل است که شبیه‌سازی آن‌ها به ما می‌گوید که سریع‌ترین جریان همیشه بهترین است؛ که این ممکن است باعث شود شما بخواهید فشاری معادل 150 بار (bar) به دم‌آوری‌های چکانه‌ای اعمال کنید. هرچند اگر چنین کاری را انجام دهید، متوجه خواهید شد که بستر قهوه‌ی شما به سرعت شسته شده و به طور بدی کانال‌سازی در آن رخ می‌دهد و منجر به قهوه‌ای بسیار گس می‌شود (و احتمالا ظرف نوشیدنی نهایی نیز منفجر خواهد شد!). در دم‌آوری اسپرسو اغلب با چنین چالشی مواجه می‌شوید: شما نمی‌خواهید که جریان مسدود شود، اما در عین حال نمی‌خواهید که کیک قهوه‌تان با جریان و فشاری زیاد شسته شود. این موضوع تا حدی همان دلیلی است که چرا آماده‌سازی قرص قهوه در اسپرسو به عنوان راهی برای اطمینان از مقاومت ساختار بستر قهوه در برابر شستگی، بسیار اهمیت دارد.
به دلیل بالا بودن حجم این اطلاعات، فکر می‌کنم یادآوری تمام راه‌های ممکن که منجر به «جریان غیریکنواخت» می‌شوند، مفید باشد:
- کانال‌ها، به عبارت دیگر آب ذرات قهوه را کنار می‌زند تا یک فضای خالی را شکل دهد. اگر ذرات قهوه سبک‌تر (و در نتیجه کوچک‌تر) باشند، این کانال‌ها راحت‌تر ایجاد می‌شوند و ممکن است که از شکل‌گیری حفره‌های روی سطح بستر قهوه، قابل مشاهده باشند. اگر با اعمال فشار زیاد بر آن، جریان کلی آب بیش از حد شدید شود، کانال‌سازی نیز راحت‌تر اتفاق خواهد افتاد و می‌توان به واسطه فشردن قرص قهوه، مانند آنچه که در آماده‌سازی اسپرسو انجام می‌دهیم، از میزان آن کاست.
- یکنواختیِ توزیع اندازه ذرات دستگاه آسیاب شما به طور مستقیمی بر یکنواختی جریان تاثیر می‌گذارد، زیرا یکنواختیِ فضاهای خالی بین ذرات را تعیین می‌کند.
- جریانی که بیش از حد آهسته است، یا بواسطه مسدود بودن صافی و یا از طریق مقاومت بستر قهوه‌ای که بیش از حد ارتفاع آن زیاد است، جریان آب را حتی در صورت عدم وجود کانال، غیریکنواخت‌تر می‌کند.
- مسدود شدن صافی نیز که احتمالا به طور همزمان در تمام قسمت‌های صافی رخ نمی‌دهد، باعث می‌شود جریان از یکنواختی کمتری برخوردار شود زیرا آب تنها از جایی عبور می‌کند که صافی مسدود نباشد.
- شکفت (Blooming) ناکافی که نقاط خشکی را در بستر قهوه شما باقی می‌گذارد نیز از یکنواختی جریان می‌کاهد، زیرا بستر قهوه مقاومت بیشتری در این نقاط خشک دارد (قهوه خشک، آب‌گریزی بیشتری نسبت به قهوه خیس دارد).
این مفاهیم باعث شدند تا فکر کنم که حفظ جریان باثبات‌تر آبِ عبوری از میان بستر قهوه، برای بدست آوردن یک عصاره‌گیری یکنواخت و خوب ضروری است. پیش‌بینی‌هایی که به نظرم می‌توانم براساس بررسی‌های بالا انجام بدهم را در ادامه آورده‌ام:
- به کارگیری فشاری ملایم (یا مکش) در قهوه چکانه‌ای به ما این اجازه را می‌دهد تا بدون داشتن قهوه‌ای گس، بتوانیم مقداری ریزتر آسیاب کنیم و بنابراین به درصد عصاره‌گیری بالاتر، اندازه ذرات یکنواخت‌تر و به طور کلی نوشیدنی بهتری دست پیدا کنیم. فکر می‌کنم که تا یک جایی این موضوع صحت داشته باشد، زیرا اگر فشاری بیش از حد را به کار گیرید و یا اینکه بیش از حد قهوه را ریز آسیاب کنید، نیاز خواهید داشت تا مانند اسپرسو به آماده‌سازی بستر قهوه توجه کنید.
- استفاده از روش ریزش پیوسته متعلق به جیمز هافمن، نسبت به روش ریزش در دو مرتبه، ممکن است نوشیدنی‌هایی با عصاره‌گیری یکدست‌تر ایجاد کند، زیرا این روش از لحظه‌ی آهسته شدن جریان بین دو مرحله‌ی ریزش، یعنی جایی که آبِ کمتر درون وی60 فشار کمتری رو به پایین ایجاد می‌کند، صرفنظر می‌کند. این موضوع ارتباطی با ثبات دما ندارد.
- استفاده از مایع بینابینی گرم‌تر از گران‌روی آب خواهد کاست، و در نهایت موجب می‌شود که جریان آب سریع‌تر شده و بنابراین یکنواخت‌تر نیز خواهد شد.
- استفاده از مقدار بیش از حد آب و قطع کردن دم‌آوری در وزن دلخواه نوشیدنی، ممکن است به ما این اجازه را دهد تا آن لحظه‌ی نهایی که جریان آب آهسته می‌شود را حذف کنیم و متعاقبا یکنواختی عصاره‌گیری را بهبود ببخشیم.
- استفاده از چندین مرتبه ریزش برای آب، منجر به ایجاد عصاره‌گیری با یکنواختی کمتر خواهد شد مگر اینکه آن را با درشت‌تر آسیاب کردن جبران کنید. این موضوع نه تنها به این خاطر که مقدار کمتر آب در وی60 فشار کمتری به بستر قهوه وارد می‌کند، بلکه همچنین به دلیل اینکه دمای مایع بینابینی کمتر و گران‌روی آب بیشتر خواهد بود، دو چندان درست است.
همان طور که می‌توانید تصور کنید، قطعا روش چکانه‌ای جیمز هافمن را امتحان خواهم کرد،علاوه بر آن بررسی می‌کنم تا ببینم آیا قطع کردن دم‌آوری با رسیدن به وزن دلخواه برای نوشیدنی واقعا باعث می‌شود تا قهوه طعم بهتری داشته باشد یا خیر. همچنین توجه زیادی به سرعت چکانه‌ی وی60 و مقاومت بستر قهوه خواهم کرد.
منبع:
جاناتان گانیه (4 اکتبر 2019)، وبسایت کافی آداسترا، یکنواختی عصاره‌گیری و کانال‌سازی.