ترمودینامیک برشته‌کاری قهوه

مقدمه‌ای ترمودینامیک برشته‌کاری قهوه

چه کیمیاگری‌ای‌  دانه خام قهوه را به رنگ قهوه‌ای درآورده و باعث به وجود آمدن رایحه و عطر و طعم در آن می‌شود؟ حرارت! نه گرمای شدید یک شب تابستانی، با استفاده از آزمون و خطای انرژی گرمایی، با گذشت زمان و در یک محیط کنترل شده این اتفاق رخ می‌دهد. این رویداد، ترمودینامیک است.

به طور کلی، ترمودینامیک مطالعه روابط بین گرما، کار، انرژی و دما است. آنچه در مورد آن بحث می‌کنیم انتقال انرژی از یک مکان به مکان دیگر و از یک شکل به شکل دیگر است.

برشته‌کاران قهوه باید نحوه و زمان اعمال حرارت در تمام مراحل برشته‌کاری را درک کنند تا عطر و طعم‌های مورد نظرشان را در یک قهوه خاص ایجاد کنند. در تعاریف اصطلاحات ترمودینامیک چندین وجه تمایز مهم برای افراد برشته‌کار وجود دارد تا هرچه زودتر ذهن خود را آماده کنند. اولین مورد تفاوت بین گرما و انرژی گرمایی است. توجه به تفاوت بین انتقال حرارت و ترمودینامیک و هم‌چنین تفاوت بین گرما و دما بسیار مهم است. اما به منظور توضیح بیشتر، بیایید نگاهی  به چند تعریف ضروری داشته باشیم.

  • سیستم: ”سیستم ترمودینامیکی مقداری از ماده با هویت ثابت است که می توانیم محدوده‌ای از آن را ترسیم کنیم. این حدود و مرزها ممکن است ثابت یا متحرک باشند. کار یا گرما می‌توانند از طریق مرز سیستم منتقل شوند. هر چیزی خارج از مرز ، محیط اطراف سیستم محسوب می‌شود. “
  • حالت: “حالت ترمودینامیکی یک سیستم، وضعیت آن در یک زمان مشخص می‌باشد، که به طور کامل توسط مقادیر مجموعه‌ای مناسب از پارامترهای شناخته شده به عنوان متغیرهای حالت، پارامترهای حالت یا متغیرهای ترمودینامیکی مشخص می‌شود.”
  • کار: “در ترمودینامیک، کاری که توسط سیستم انجام می‌شود، انرژی‌ای‌ است که توسط سیستم به محیط اطراف خود منتقل می‌شود و توسط مکانیزمی که از طریق آن سیستم می‌تواند به طور خودانگیز نیروهای ماکروسکوپی را بر روی محیط اطراف خود اعمال کند؛ جایی که این نیروها و اثرات خارجی آن‌ها قابل اندازه گیری می‌باشند. “
  • انرژی: ”ظرفیت یا قدرت انجام کار، مانند توانایی حرکت یک جسم (با جرمی معین) با استفاده از نیرو می‌باشد. انرژی می‌تواند به اشکال مختلفی مانند الکتریکی، مکانیکی، شیمیایی، حرارتی یا هسته‌ای وجود داشته باشد و از یک شکل به شکلی دیگر تبدیل شود.”
  • آنتروپی (Entropy): ”انتروپی (آشفتگی) کمیتی ترمودینامیکی است که اندازه‌ای برای درجهٔ بی‌نظمی در هر سیستم است. هر چه درجهٔ بی‌نظمی بالاتر باشد، آنتروپی بیشتر است؛ بنابراین برای یک مادهٔ معین در حالت تعادل درونی کامل در هر حالت: انتروپی جامد <انتروپی مایع <انتروپی گاز.” 

حال‌، بیایید تفاوت بین انرژی گرمایی و گرما را بررسی کنیم. تفاوت این دو در این است که انرژی گرمایی در مرحله انتقال حضور ندارد اما به عنوان بخشی از انرژی داخلی سیستم باقی می‌ماند. با این حال گرما، انرژی در حال عبور را توصیف می‌کند (یا انرژی در فرآیند انتقال از سیستم گرم‌تر به سیستم خنک‌تر). توجه به این نکته که جریان انرژی همیشه از سیستم با دمای بالاتر به سمت سیستم خنک‌تر است، ضروری است. وقتی این دو سیستم به یک دما می‌رسند ، گفته می‌شود که در تعادل قرار دارند. 

این انتقال گرما می‌تواند از طریق سه روش انجام شود؛ رسانایی (Conduction)، همرفت (Convection) یا تابش (Radiation). در برشته‌کاری قهوه، ما بیشتر خود را درگیر انتقال گرما از طریق رسانایی و همرفت می دانیم، در حالی که  می‌گوییم تابش نقشی نادیده گرفته شده را  در هنگام بررسی کلیِ انتقال حرارت بازی می‌کند.

اگر گرما، انرژی در حال انتقال را توصیف می‌کند، بنابراین ترمودینامیک چیست؟ انتقال گرما و ترمودینامیک متفاوت‌اند؛ چرا که ترمودینامیک مربوط به میزان انتقال گرما است، چرا که یک سیستم از یک حالت تعادل به حالتی دیگر تغییر می‌کند، در حالی که انتقال گرما مدت زمانی است که برای انتقال آن به یک سیستم لازم است. ترمودینامیک یک فرآیند است، اما فرآیندی که زمان را به عنوان یک معیار در نظر نمی‌گیرد، اما از آن سو انتقال حرارت بیان می‌کند که فرآیند ترمودینامیک چه مدت زمان می‌برد تا رخ دهد.

بیایید قبل از اینکه به دستگاه برشته‌کاری بپردازیم، نگاهی به تفاوت بین گرما و دما داشته باشیم. اگرچه در زندگی روزمره از اصطلاحات “گرما” و “دما” تقریباً به جای هم استفاده می‌کنیم، اما این دو کاملا متفاوت‌اند. همانطور که مشاهده کردیم، گرما مربوط به انرژی گرمایی است و اندازه‌گیری آن با مقیاسی مانند وات (Watt)، کالری یا ژول (Joule) انجام می‌شود. اما دما معیار اندازه‌گیری میزان گرم بودن چیزی است که آن را با واحد‌های‌ سانتیگراد ، فارنهایت و کلوین اندازه‌گیری می‌کنیم.

گرما کل انرژی جنبش مولکولی در یک ماده بوده و دما، اندازه‌گیری میانگین این انرژی در یک ماده را انجام می‌دهد. اندازه‌گیری انرژی گرمایی، به سرعت ذرات در حال حرکت، تعداد ذرات موجود در سیستم و همچنین اندازه یا جرم آن‌ها بستگی دارد. همچنین به نوع ذرات موجود در یک جسم نیز وابسته می‌باشد. از آن سو دما به اندازه یا نوع جسم بستگی ندارد. بنابراین، به عنوان مثال، درجه حرارت یک لیوان آب ممکن است همانند درجه حرارت یک وان آب (Tub) باشد، با این تفاوت که وان، حاوی گرمای بیشتری است زیرا حجم بیش‌تری از آب را دارا می‌باشد و در نتیجه از انرژی گرمایی بالاتری نیز برخوردار است.

از لحاظ انتقال حرارت، گرما باعث افزایش یا کاهش دمای ماده مورد نظر می‌شود. اگر به یک ماده یا سیستم گرما اضافه کنیم، دما افزایش می‌یابد. اگر گرما را از آن ماده یا سیستم حذف کنیم، دما کاهش خواهد یافت. دمای بالاتر به این معنی است که مولکول‌ها با انرژی بیش‌تری در حال حرکت، لرزش و چرخش هستند.

دو ماده که دمای یکسانی دارند، هنگام تماس با یکدیگر، به طور کلی، انرژی بین آن‌‌ها انتقال پیدا نخواهد کرد؛ زیرا میانگین انرژی ذرات در هر جسم یکسان است. اما اگر دمای یکی از آ‌ن‌ها بالاتر از ماده دیگر باشد، انتقال انرژی از ماده گرم‌تر به ماده سردتر انجام می‌شود، تا زمانی که هر دو ماده به دمایی یکسان برسند (تعادل گرمایی).

ترمودینامیک برشته‌کاری قهوه

اکنون که برخی از مفاهیم اساسی را متوجه شده‌ایم، می‌توانیم مشاهده کنیم که آن‌ها چه تأثیری بر برشته‌کاری قهوه خواهند داشت. برشته‌کاری قهوه یک فرآیند ترمودینامیکی است، که در آن استفاده از گاز یا آمپر‌(شدت جریان برق) به منظور انرژی بخشیدن به فرآیند گرما، و در نتیجه جذب آن (انتقال گرما) توسط دانه‌ها که مستقیماً بر مشخصات عطر و طعمی قهوه برشته‌شده تأثیر می‌گذارد، صورت می‌گیرد. به عبارت دیگر، چگونگی استفاده از حرارت و انتقال آن به یک سری (Batch) از قهوه، با گذشت زمان تغییر می‌کند و به نوبه خود، مشخصات خاصی از عطر و طعم را ایجاد خواهد کرد. توانایی یک فرد برشته‌کار در درک و تغییر روند انتقال حرارت از طریق یادگیری و تجربه بدست می‌آید که در نهایت مهارت بزرگی در این فرآیند ترمودینامیک به هر فرد برشته‌کار اعطا می‌کند.

همانطور که در مورد فرآیند برشته‌کاری صحبت می‌کنیم، می‌توانیم هر دانه از قهوه، سری آن و دستگاه برشته‌کاری را به عنوان سیستم‌هایی محدود و مجزا در نظر بگیریم. این موضوع به درک انتقال گرما از یک سیستم به سیستمی دیگر کمک می‌کند.

اگر استوانه برشته‌کن (Drum) و دانه قهوه را در نظر بگیریم، میزان انتقال گرما از محیط به سیستم به مقدار انرژی حرارتی موجود در محیط و مقدار گرمای لازم برای افزایش دما در سیستم (ظرفیت گرما) بستگی دارد.

گرما در شرایطی که اعمال می‌شود تحت تأثیر عوامل محیطی همچون، ظرفیت استوانه برشته‌کن، جریان هوا (Air flow) و رطوبت، فشار هوا (Barometric Pressure) و دمای محیط قرار می‌گیرد.

توانایی دانه در دریافت گرما و سرعت پراکنده‌شدن گرمای جذب شده در تمام دانه‌ها به عوامل تعیین‌کننده کیفیت قهوه سبز همچون درصد رطوبت، چگالی، اندازه دانه و تا حدی فعالیت آبی (Water Activity) بستگی دارد.

 

مقالات مرتبط:

۱- تآملی بر اصول برشته‌کاری

۲- عیب سیب زمینی: آنچه برشته‌کاران لازم است بدانند

۳- نگاهی نزدیک به نمایه‌های برشته‌کاری

 

در برشته‌کاری قهوه، ابتدا گرما از محیط برشته‌کاری به دانه سبز منتقل می‌شود. هنگامی که سیستم انرژی (گرما) را از محیط اطراف جذب می‌کند، از آن به عنوان یک واکنش گرماگیر (Endothermic) یاد می‌شود.

هم‌زمان که فرآیندهای شیمیایی و واکنش‌های خاصی درون دانه در حال رخ دادن هستند، فرآیند گرمازا به تدریج گرمازا‌تر و بیش‌تر می‌شود؛ سیستم شروع به آزاد‌سازی گرما در محیط کرده و به تغییرات دما در آن کمک می‌کند.

تغییرات شیمیایی که در هر نقطه‌ از فرآیند برشته‌کاری اتفاق می‌افتد، به مقدار گرمایی که آن سری قهوه پیش‌تر جذب کرده، میزان گرمای موجود در دستگاه برشته‌کن، توانایی و حجم دانه‌ها برای انتقال گرما (در رابطه با حالت فیزیکی قهوه، یعنی معیارهای کیفی دانه سبز) و واکنشهایی که قبلاً اتفاق افتاده و یا آن‌هایی که در حال رخ دادن هستند، بستگی دارد.

به منظور جمع‌بندی و نتیجه‌گیری از تمام این اتفاقات و مراحل، با در نظر گرفتن ابتدا تا انتهای فرآیند برشته‌کاری، بیایید یک منحنی کلی برای این فرآیند تصور کنیم. دستگاه برشته‌کن در دمای ۳۷۰ درجه فارنهایت (۱۸۸ درجه سانتیگراد) گرم شده و در آن محدوده باقی می‌ماند و نقطه برگشت در زمان مناسب با توجه به اندازه و ترکیب سری قهوه حاصل می‌شود (به عنوان مثال قهوه‌ی ترکیبی در مقابل قهوه تک‌خاستگاه). آنچه در مرحله بعد رخ می‌دهد، صعود یکنواخت، از مرحله اولِ برشته‌کاری به مرحله دوم (که اغلب به آن مرحله مایارد (Maillard) گفته می‌شود) که نقطه شروع این مرحله با تغییر رنگ علامت گذاری می‌شود و با تغییرات چشمگیر رنگ و فیزیک دانه‌های قهوه ادامه می‌یابد. شروع مرحله بعد با ترق اول (First crack) آغاز می‌شود. این مرحله، مرحله‌ی سوم برشته‌کاری (Development) است، که منجر به پروردگی مشخصه‌های طعمی در فرآیند برشته‌کاری می‌شود.

این‌ها نشانگرهای مرحله‌ای و نتایج قابل مشاهده از فرآیندهای شیمیایی رخ داده در حین برشته‌کاری هستند که برای برشته‌کاران آشناست. اما اکنون که ما دانشجوی ترمودینامیک هستیم، باید این تغییرات را با توجه به قانون دوم ترمودینامیک در نظر بگیریم.

قانون دوم ترمودینامیک ادعا می‌کند که وضعیت آنتروپی کل جهان، به عنوان یک سیستم مجزا، همیشه با گذشت زمان افزایش خواهد یافت. همچنین اعلام می‌کند که تغییرات آنتروپی در جهان هرگز نمی‌تواند منفی باشد. اساساً، آنتروپی کلی یک سیستم مجزا هرگز نمی‌تواند با گذشت زمان کاهش یابد. یک نیروی محرک ترمودینامیکی (در مبحث ما، گرما) در یک جهت و از یک سیستم یا محیط گرم به یک سیستم یا محیطی که خنک‌تر است، جریان پیدا می‌کند.

به عنوان مثال می‌توان گفت که انتقال حرارت از سرما به گرما، به خودی خود رخ نمی‌دهد؛ با قرار دادن لیوان آبی در دمای اتاق، در یک روز گرم تابستانی و استفاده از یک تکه یخ در آن لیوان، بعد از مدتی شیشه (محیط) گرما را به یخ منتقل می‌کند (سیستم)، خصوصیات فیزیکی آن را تغییر می‌دهد و آن را در لیوان ذوب می‌کند. پس از رسیدن به تعادل، دیگر یخی در لیوان باقی نخواهد ماند. با این حال، اگر آن لیوان را در همان اتاق و در همان شرایط قرار دهیم، یخ به طور خودکار تشکیل نمی‌شود. حتی اگر یخ به آب اضافه کنیم، آب (محیط) به یخ تبدیل نمی‌شود. قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که در واقع‌، انتقال گرما همیشه از محیط دمای گرم‌تر به محیط سردتر است؛ همیشه همین‌گونه است.

با درک این موضوع، متوجه می‌شویم که افزودن دانه‌های سرد قهوه به استوانه برشته‌کن باعث می‌شود که ترموکوپل (Thermocouple) دانه، دمای پایینی را نمایش دهد. اما پس از گذشت حدود ۹۰ ثانیه از فرآیند برشته‌کاری، محیط بسته دستگاه برشته‌کن و دانه‌های قهوه به تعادل دمایی می‌رسند.

هنگامی که اختلاف دما بین دو ماده زیاد است، سرعت تغییر دما بیش‌تر از زمانی است که این  اختلاف ناچیز است. به عنوان مثال، اگر یک مکعب یخ را درون یک لیوان آب داغ قرار دهیم، خیلی سریع‌تر از آب شدن آن در یک لیوان آب سرد، ذوب می‌شود. برشته‌کاران قهوه از این دلتا (یا تفاوت بین مقادیر) برای دلایلی بی‌شمار که یکی از آن‌ها درک چگونگی سرعت برشته‌کاری‌ (سریع یا آهسته) در طول این فرآیند است بهره می‌برند.

شکستن ترمودینامیک به وسیله‌ی مرحله‌ی برشته‌کاری

بخش اول: خشک‌سازی

برای قهوه‌ای شدن دانه‌ها، آن‌ها باید خشک یا حداقل خشک‌تر از هنگام شروع فرآیند باشند. در این مرحله اولیه برشته‌کاری، مقدار زیادی از انرژی حرارتی استوانه برشته‌کن برای تبخیر مورد نیاز است، اما هنوز مقدار کمی از این انرژی برای واکنش‌های برشته‌کاری استفاده می‌شود. “مرحله خشک‌سازی” مانند یک پیش‌درآمد برای رویداد اصلی است و میزان مدتی که این بخش زمان می‌برد، تأثیر زیادی بر اختلاف دما بین قسمت بیرونی و داخلی هر یک از دانه‌ها دارد. با بخار شدن رطوبت سطح دانه، اولین دیواره‌های سلولی شروع به فروپاشی می‌کنند و مقداری از رطوبت داخلی دانه قهوه گرم شده و به نوبه خود فضای داخلی دانه را نیز گرم می‌کند. برشته‌کاران با توجه به گستردگی در اندازه و تغییر رنگ دانه، این موضوع را مشاهده خواهند کرد. متغیر‌های حالت و معیارهای کیفی دانه سبز در میزان وقوع این موضوع تأثیر می‌گذارند. بنابراین، رسانایی سیستم، تابعی از وضعیت فیزیکی است، یا به عبارت دیگر، معیارهای کیفی قهوه سبز تأثیر مستقیمی بر میزان انتقال حرارت دارند.

اینکه چه مقدار، دانه از لحاظ حجم افزایش می‌یابد، نشانگر این است که دانه با چه سرعتی گرما دریافت می‌کند. این امر تا حدی به میزان رطوبت دانه بستگی دارد، که در قهوه تخصصی به طور معمول از ۱۰-۱۲ درصد در زمان واردات آن متغیر است. هرچه دانه خشک‌تر باشد، گرما نیز سریع‌تر جذب می‌شود.

در مرحله اول فرآیند برشته‌کاری، تغییرات شیمیایی قابل مشاهده‌ای به صورت اندک در حال وقوع هستند، اما این مرحله در ایجاد ساختار رایحه‌ها مهم است، از این رو برخی از برشته‌کاران از آن به عنوان مرحله آنزیمی (Enzymatic Stage) یاد می‌کنند. آنچه در این مرحله رخ می‌دهد (یا به دلیل تغییرات انجام شده توسط فرد برشته‌کار یا نحوه واکنش قهوه در مقابل برشتگی) مؤثر بر تعیین سرعت توزیع گرمای جذب شده در دانه‌ها است.

در این مرحله می‌توان دانه‌ها را بیش از حد گرم کرد، باعث سوزاندن و سوختن قسمت خارجی آن‌ها شد، اما با این روش نفوذ تدریجی گرما از محیط اطراف به سیستم فراهم نخواهد شد. این عیب (Defect) نقطه‌سوز شده (Scorch) نامیده می‌شود؛ زیرا علائم سوخته شدن در دانه سبز همچنان وجود دارد. این اتفاق، هنگامی که استوانه برشته‌کن بیش از حد گرم است، از طریق رسانایی، زمانی که یک دانه با سطح استوانه برشته‌کن، پره‌ها (Paddles) یا سطح یک دانه سبز دیگر تماس پیدا ‌کند، رخ می‌دهد.اما، اگر گرمای کافی اعمال نشود و یا سری خیلی حجیم باشد، دانه‌ها به طور یکسان گرم نمی‌شوند. این شرایط منجر به گردش ناکافی هوای گرم شده و در نتیجه مولکول‌هایی که در محیط با سرعت بیش‌تری حرکت می‌کنند به اندازه کافی قادر به تحریک مولفه‌های موجود در سیستم و ایجاد جذب ثابت گرما نخواهند بود؛ دستگاه برشته‌کن یا با یک سریِ قهوه‌ متوقف شده (که در این شرایط منحنی برشته‌کاری در مقیاسی استاندارد، روند صعودی نخواهد داشت) رو به رو خواهد شد یا با دانه‌های غیر یک‌دست برشته‌شده، که همه آن‌ها ممکن است در زمان‌هایی مختلف دچار ترق شوند. 

 

بخش دوم: واکنش شکر‌قهوه‌ای

پس از چند دقیقه، با گرمای اعمال شده کافی و همچنین تبخیر رطوبت سطح دانه‌ها، تغییرات شیمیایی شکر‌قهوه‌ای در برشته‌کاری قهوه، شروع می‌شود. در این مرحله قهوه از رنگ سبز روشن به رنگ زرد تغییر کرده و به دنبال آن رنگی دارچینی ایجاد می‌شود. این واکنش‌های شکر‌قهوه‌ای (که شامل واکنش‌های مایارد و کاراملی‌شدن (Caramelization)، در میان واکنش‌های دیگر است) هستند که روند ترمودینامیکی را به تدریج از یک واکنش گرماگیر به یک واکنش گرمازا منتقل می‌کنند. اولین مورد از این فرایندهای تغییرات شیمیایی در دمای حدود ۳۲۰ درجه فارنهایت (۱۶۰ درجه سانتیگراد) آغاز شده، که مرحله مایارد نامیده می‌شود. این یک واکنش غیر آنزیمی (Non-Pyrolytic) بین اسیدهای آمینه و قندهای کاهنده است که برای اولین بار توسط لوئیس-کمیل مایارد در سال ۱۹۱۲ مشاهده شد.با افزایش درجه حرارت در دستگاه برشته‌کن در این مرحله، کاراملی شدن قندها اتفاق می‌افتد. این موضوع از اکسیداسیون قندهای ساده‌ای مانند گلوکز و ساکاروز ناشی می‌شود. تغییر در انرژی گرمایی داخلی سری، یا سیستم، در مرحله مایارد فقط به دلیل ورود گرما به استوانه برشته‌کن نیست، بلکه  به دلیل گرمای ایجاد شده در اثر واکنش‌های شکرقهوه‌ای نیز می‌باشد. در حالی که این موارد اتفاق می‌افتند، واکنش‌های شکر‌قهوه‌ای نیز شتاب گرفته و به طور افزایشی، یکی پس از دیگری رخ می‌دهند. در دمای حدود ۳۴۷ درجه فارنهایت (۱۷۵ درجه سانتیگراد)، قندها شروع به تولید گرما (گرمازایی) می‌کنند و با پیشرفت برشتگی، کمتر به گرمای محیط وابسته بوده و بیشتر به گرمای سیستم (یا سری) که قبلاً آن را دریافت کرده است، وابسته خواهند بود.

در این مرحله، سرعت کاراملی شدن و میزان قندهای درگیر با توجه به غلظت و نوع قندهای موجود در دانه سبز تعیین می‌شود. به عنوان مثال، قهوه‌های با کیفیت بالاتر، غلظت قند بیشتری نسبت به قهوه‌های با کیفیت پایین دارند و در قهوه‌های کهنه شده نیز، ساکاروز کمتری وجود داشته اما میزان گلوکز بیشتر است. بخش دوم فرآیند برشته‌کاری، یا بخش شکر‌قهوه‌ای/ مایارد، یکی از مهمترین مراحل برشته‌کاری است. در طول این مرحله، در نتیجه میزان گرمای گرفته شده و واکنش‌های شکر‌قهوه‌ای، واکنش‌های شیمیایی پدیدار می‌شوند.در این مرحله پرهیز از اعمال حرارت و گرمای بیش از حد، بسیار مهم است، زیرا دانه فقط می‌تواند با سرعت مشخصی گرما را به خود جذب کند و پروردگیِ همراه با عطر و طعم مناسب داشته باشد. از طرف دیگر، اگر دمای محیط (استوانه برشته‌کن) خیلی کم باشد، گرمای درون دانه پراکنده شده، واکنش‌های برشته‌کاری متوقف شده و در نهایت موجب قطع فرآیند برشته‌کاری می‌شود. 

جدا از رنگ، رایحه هنگام پروردگی قهوه بسیار مهم است. همانطور که قهوه از رنگ زرد به رنگ دارچینی می‌رسد، تغییرات شیمیایی، رایحه‌ای ترش و سبز را به رایحه‌ای شیرین، تخمیری و پخته شده تبدیل می‌کند. سرانجام، رایحه مرسوم قهوه تازه‌برشت در دمای حدود ۳۵۶ تا ۳۷۴ درجه فارنهایت (۱۸۰ تا ۱۹۰ درجه سانتیگراد) شروع به پروردگی می‌کند. 

 

بخش سوم: ترق اول و پروردگی

تمام این واکنش‌ها هنگامی اتفاق می‌افتند که فشار بخار، درون دانه جمع شده و سعی در فرار از دیواره‌های سلولوزی دارد. سرانجام، این بخار چاره‌ای جز خارج شدن ندارد! فشار بخار در نهایت بر دیواره‌های سلولوزی که ضعیف شده‌اند، غلبه کرده و خارج شدن تحت فشار بخار، موجب پاره شدن آن‌ها می‌شود. (پدیده ای که توسط برشته‌کاران به عنوان “ترق اول” (First crack) شناخته می شود).  

از آنجا که ساختار سلولوز در دو انتهای دانه قهوه، در امتداد شکاف میانی آن، ضعیف‌تر است، می‌توان شواهد اولین ترق را به عنوان شکافی در انتهای دانه، و یا هر دو سر آن مشاهده کرد. در ترق اول، قهوه به جد گرمازا می‌شود. در حالی که واکنش‌های شکر‌قهوه‌ای اتفاق می‌افتند، سیستم (دانه) در حال تولید گرمای خود و همچنین جذب گرما است. بنابراین، در ترق اول، دانه از پیش، انرژی پتانسیل گرمایی را که باعث ایجاد این واکنش‌ها می‌شود را جذب کرده است.ترق اول نه تنها تمام گرمای انباشته شده دانه‌ها در طول فرآیند برشته‌کاری را آزاد می‌کند، بلکه انتقال جرم قابل توجهی از دانه به داخل استوانه برشته‌کن را به صورت رطوبت، دی اکسید کربن و سایر گازها اعلام می‌کند. مقدار انرژی گرمازا آزاد شده توسط دانه‌ها نه تنها به معیارهای کیفی قهوه سبز  بستگی دارد، بلکه به محل، دما، سرعت واکنش و آنتالپی (از دست دادن گرما در نتیجه واکنش)  واکنش نیز بستگی دارد. علاوه بر این، انرژی گرمازایی که در استوانه برشته‌کن آزاد می‌شود، درجه حرارت قهوه را بدون هیچ گونه حرارت اضافی از منبع دستگاه برشته‌کن، افزایش می‌دهد. در این مرحله، قهوه مقدار زیادی از جرم و رطوبت خود را از دست داده است. به همین دلیل، فعل و انفعالات ترمودینامیکی بین سری قهوه (سیستم) و محیط اطراف (استوانه برشته‌کن) متفاوت خواهد بود. از آنجا که سیستم جرم کمتری دارد، قادر است با سرعت بیشتری گرما را بپذیرد. با این حال، از آنجا که سری‌ای که اکنون چگالی بسیار کمتری دارد و بیش‌ترٍ رطوبت خود را از دست داده است، با توجه به چگونگی اعمال گرما در قسمت قبل از آن و همچنین در حین و بعد از ترق اول، می‌تواند با سرعت بیش‌تری گرما را از دست بدهد.

برشته‌کاران باتجربه این پدیده خاص را مشاهده خواهند کرد: بعضی از سری‌ها پس از ترق اول شروع به گرفتن مقادیر بیش از حدی گرما می‌کنند و می‌توانند حتی با عملکردهای معمول دستگاه برشته‌کن هم غیرقابل کنترل شوند. اما اگر بخواهید برای خنثی کردن روند افزایشی درجه حرارت ناشی از ترقٍ قهوه، گرما را کاهش دهید، بر خلاف روال عادی، امکان متوقف شدن دانه‌های دیگر از برشته‌کاری وجود خواهد داشت. با کنترل فرد برشته‌کار، سری‌ قهوه پس از ترق اول، مدت کوتاهی تثبیت شده و (با تمام شدن اکثر واکنش‌دهنده‌های گرمازا) برای مدتی کوتاهی، با بالا رفتن دما، یک بار دیگر واکنش گرمازا آغاز می‌شود. تقریباً با دمای ۴۲۸ درجه فارنهایت (۲۲۰ درجه سانتیگراد)، سری با دفع دی اکسیدکربن وارد فاز شناخته شده به عنوان “ترق دوم” (Second Crack) می‌شود (اگرچه این ترق ملایم است و بیش‌تر شبیه به یک ضربه محکم و ناگهانی، صدای ترق و منفجر شدن کوچکی باشد تا مانند دانه‌های ذرت که در مایکروویو منفجر می‌شوند).به دلیل تخریب سلولوز ( نتیجه انبساط و جرم از دست رفته) دانه‌ها در شکننده‌ترین حالت خود هستند. از این رو به علت افت تراکم، دانه‌ها بیش‌تر مستعد جذب گرما شده و در نتیجه بعد از هر دو ترق، مستعد کربن شدن هستند که در نهایت منجر به طعم‌یاد‌های برشتگی (Roasty Notes) خواهد شد.

 

در مورد برشته‌کاری قهوه و به طور کلی خود قهوه همیشه چیزهای بیش‌تری برای گفتن وجود دارد، اما در اینجا این مقاله به پایان می‌رسد تا در مورد مفاهیم مورد بحث در این مطلب تأمل کنید و اهمیت استفاده از آن‌ها را در فرآیند برشته‌کاری در نظر بگیرید. به منظور توسعه‌ی درک کاملی از علم نحوه انتقال گرما در دستگاه برشته‌کن، و تأثیر آن بر قهوه نهایی، باید از کنترل کامل فرد برشته‌کار بر روی دستگاه برشته‌کن مطمئن شویم.    

 

 

 

 

منبع:کاردیس مادیسون ( ۱ ژانویه ۲۰۲۱)، وب‌سایت رویال کافی، ترمودینامیک برشته‌کاری قهوه.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *