Fizyka i sens preinfuzji

Bloom to nie rytuał, jak niektórzy mogą myśleć – to ważny etap przygotowania złoża kawy do szeregu zjawisk hydrodynamicznych i wymiany masy.

W środowisku kawy specialty naprawdę często mówi się o tym, jak ważny jest “bloom”, a ci bardziej wnikliwi wspominają, że chodzi tam głównie o odgazowanie kawy. I to się zgadza – widzimy dużo uwalniającego się w postaci bąbelków ditlenku węgla, szczególnie przy zalewaniu świeżej kawy.

Opisy tego, jak bloom ma “otwierać ziarna”, “pozwalać oddychać aromatom” czy “relaksować złoże” brzmią jak romantycyzowanie procesu i niestety, mimo tego dostojnego wydźwięku, omijają prawdziwe sedno problemu.

Chcąc uzyskać jak największą kontrolę nad ekstrakcją, zrozumieć, co dokładnie dzieje się podczas parzenia kawy i wymyślić, jak można sterować tym parametrem w celu uzyskania najlepszego produktu, warto spojrzeć na preinfuzję przedstawianą w modelach matematycznych: od przepływów przez porowate złoże, przez hydrodynamikę kapilarną, aż do desorpcji i dyfuzji.

Ważna uwaga: Taki bloom ma znaczenie jedynie w perkolacyjnych metodach parzenia kawy (np. V60, Chemex). Przy metodach immersyjnych (np. French Press) całe parzenie można traktować jako jedną, długą preinfuzję złoża.

Zwilżanie złoża i ruchy kapilarne

Kawa w dripperze jest złożem o wysokiej porowatości, zarówno wewnętrznej, jak i zewnętrznej. Większość wody spływa grawitacyjnie w dół, ale istnieją też zjawiska kierujące płyn w inną stronę. Te zjawiska na co dzień zauważamy, ale zbytnio o nich nie myślimy – jednak teraz, gdy kolejny raz zobaczysz ręcznik lub szmatkę, której końcówka jest zanurzona w wodzie, a wilgoć przechodzi wyżej (wbrew grawitacji), pomyślisz zapewne o siłach adhezji, kohezji, napięciu powierzchniowym i lepkości cieczy.

Wędrówkę wody w złożu kawowym można podzielić na trzy odrębne mechanizmy:

  • Spływ grawitacyjny – główny wektor ruchu.
  • Ruchy kapilarne “zewnętrzne” – penetracja w przestrzenie między drobinkami kawy.
  • Ruchy kapilarne “wewnętrzne” – transport do środka drobinek kawy: w ich pory, pęknięcia i do samego rdzenia.

Istnieje model matematyczny, który łączy odległość ruchu kapilarnego cieczy z czasem. Choć w swojej podstawowej formie nie opisuje on idealnie naszego przypadku, z powodzeniem rozszerza się go na wchłanianie cieczy w materiały porowate – czyli dokładnie to, z czym mamy do czynienia w dripperze. Jest to Równanie Washburna:

$$L^2 = \frac{\gamma \cdot r \cdot t \cdot \cos(\theta)}{2\eta}$$

Gdzie:

  • $L$ – odległość penetracji cieczy
  • $\gamma$ – napięcie powierzchniowe wody
  • $r$ – promień porów w drobinie kawy
  • $t$ – czas
  • $\theta$ – kąt zwilżania (contact angle) między wodą a powierzchnią kawy
  • $\eta$ – lepkość dynamiczna cieczy

Warto tu krótko wspomnieć o problemie ze świeżo paloną kawą: na jej powierzchni znajduje się sporo hydrofobowych związków organicznych (lipidów), które zwiększają kąt zwilżania ($\theta$). Gdy jest on duży, jego cosinus zbliża się do zera, co znacznie zmniejsza licznik we wzorze i drastycznie spowalnia wchłanianie się płynu w głąb kawy. To dlatego zazwyczaj parzymy kawę wodą o wysokiej temperaturze i nie używamy ziaren tuż po wypaleniu, tylko dajemy im czas, aby “odpoczęły” – wyższa temperatura ułatwia spłukanie lipidów z powierzchni ziaren, tak samo czas sprawia, że “wysychają”.

Desorpcja i ciśnienie w kawie

W ziarnach kawy, a konkretnie w ich mikroporach, znajduje się uwięziony ditlenek węgla. Zmielenie ziaren uwalnia część tego gazu, ale w nienaruszonych mikrokanałach znaczna jego ilość wciąż pozostaje zaadsorbowana.

Gorąca woda przepływająca przez złoże dostarcza energię niezbędną do aktywacji procesu desorpcji. Powoduje to przejście gazu do fazy “bąbelkowej” – znacznie zwiększa on swoją objętość i lokalne ciśnienie w porach matrycy.

W kontekście naszej preinfuzji dzieją się jednocześnie dwie rzeczy:

  1. Woda wnika w pory (pchana siłami kapilarnymi).
  2. Gaz ucieka z porów (wypychany rosnącym ciśnieniem wewnętrznym).

Niestety, te dwa procesy zachodzą w tym samym czasie i działają w zupełnie przeciwnych kierunkach, spowalniając się wzajemnie. Tutaj całkiem pasuje określenie ze wstępu o “relaksacji złoża” – poniekąd właśnie to robimy: czekamy, aż różnice ciśnień się wyrównają, uwięziony gaz ujdzie, a woda zajmie jego miejsce.

Channeling (Kanałowanie)

Istnieją również modele matematyczne dotyczące przepływu płynów przez złoża porowate. Mają one ogrom zastosowań – zaczynając od nawadniania gleby, przez analizę wycieków zanieczyszczeń, aż po zalewanie kawy. Dokładna forma tych modeli, szczególnie po przekształceniu dla geometrii stożkowej (jaką ma większość popularnych dripperów), jest nieintuicyjna i skomplikowana. Jednak uproszczona wersja, znana jako Prawo Darcy’ego, pozwala doskonale zrozumieć fizykę przepływu:

$$q = -\frac{\kappa}{\mu} \nabla P$$

Gdzie:

  • $q$ – wektor prędkości filtracji (strumień objętościowy płynu)
  • $\kappa$ – przepuszczalność złoża (permeability)
  • $\mu$ – lepkość dynamiczna wody
  • $\nabla P$ – gradient ciśnienia

Najważniejszy w tym układzie jest współczynnik $\kappa$, który określa przepuszczalność hydrauliczną złoża. Im łatwiej ciecz przepływa, tym wyższe $\kappa$. Im trudniej – tym niższe.

Idealnym scenariuszem byłby taki, w którym $\kappa$ jest jednorodne i w ogóle nie zmienia się w czasie parzenia. W rzeczywistości jest ono jednak bardzo dynamiczne. Channeling, czyli kanałowanie, wraz z tzw. bypassem (przepływem brzegowym), to najmniej pożądane zjawiska. Polegają one na tworzeniu się w złożu ścieżek o najniższym oporze przepływu, przez które przelewa się główny nurt wody. Prowadzi to do drastycznie nierównej ekstrakcji: omywane kanały są mocno przeekstrahowane (wprowadzając gorycz), a pozostała część złoża niedoekstrahowana (zostawiając kwasowość).

Dyfuzja i transport masy

Można zagłębiać się w każdy z mechanizmów preinfuzji osobno, ale należy stale pamiętać o ostatecznym celu bloomu: przygotowaniu złoża na właściwą ekstrakcję. Modelujemy ją najczęściej opierając się na prawach Ficka. Oczywiście podczas parzenia poza dyfuzją zachodzi również adwekcja (mechaniczne wypłukiwanie substancji z powierzchni drobinek), ale to właśnie dyfuzyjnego transportu masy z wnętrza komórek nie możemy zaniedbać.

Zaburzony transport masy opisujemy równaniem (na bazie I Prawa Ficka):

$$J = -D_{eff} \nabla C$$

Gdzie:

  • $J$ – strumień masy (ilość wyekstrahowanych substancji przechodzących do naparu)
  • $D_{eff}$ – efektywny współczynnik dyfuzji
  • $\nabla C$ – gradient stężenia roztworu

Jeśli pory pozostają zablokowane przez gaz, efektywny współczynnik dyfuzji ($D_{eff}$) w tych obszarach jest ekstremalnie mały. Poprzez bloom staramy się ujednolicić współczynniki dyfuzji we wszystkich rejonach złoża. Dopiero wtedy, gdy cała kawa jest równomiernie zwilżona i odgazowana, następuje etap płynnej, równomiernej i przewidywalnej ekstrakcji, na której tak bardzo zależy nam w filiżance.

Podsumowanie

Pomijanie preinfuzji lub brak zrozumienia, na czym ona polega, często prowadzi do nieprzewidywalnego i mało satysfakcjonującego naparu. Znając fizyczne podstawy tego procesu, możemy świadomie regulować czas i sposób nalewania wody, a także celowo stosować mieszanie czy rotacje (tzw. swirle) dripperem. Dla pasjonatów to świetna wiadomość: zamiast działać po omacku można wyrobić sobie fizyczną intuicję dotyczącą naszych codziennych czynności i to bez znajomości skomplikowanej matematyki. Wystarczy jedynie zrozumieć pewne zależności – w końcu idealna kawa nie jest dziełem przypadku, lecz bezpośrednim wynikiem opanowania hydrodynamiki, transportu masy i wymiany ciepła podczas parzenia. Nie ma przy tym żadnego znaczenia, czy za tymi umiejętnościami stoją grube podręczniki, czy po prostu talent lub doświadczenie.