Giải phóng tiềm năng của cà phê: Vật lý mở ra con đường để pha chế cà phê ngon hơn
Tác giả: Nathi Magubane, Đại học Pennsylvania
Trong phòng thí nghiệm Arnold Mathijssen, các nhà nghiên cứu đã sử dụng ấm đun nước cổ ngỗng, máy xay cà phê và thiết bị rót cùng với các phép đo chính xác và phân tích tốc độ cao để nghiên cứu động lực học chất lỏng và cơ học pha cà phê nhằm khám phá ra cách tối đa hóa hương vị với ít bã hơn. Những phát hiện này có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu được động lực học chất lỏng. Tín dụng: Ernest Park
Giá hạt cà phê arabica thô, thành phần cốt lõi của hầu hết các loại cà phê, đã tăng đột biến trong những năm gần đây do bốn mùa liên tiếp thời tiết bất lợi. Biến đổi khí hậu đã gây thêm căng thẳng, đe dọa đến sự cân bằng nhiệt độ tinh tế mà cây cà phê arabica cần có. Áp lực ngày càng tăng này đã truyền cảm hứng cho các nhà vật lý tại Đại học Pennsylvania đặt ra câu hỏi: Liệu chúng ta có thể pha chế cà phê ngon với ít hạt hơn không?
"Có rất nhiều nghiên cứu về cơ học chất lỏng và có rất nhiều nghiên cứu về các hạt riêng biệt", Arnold Mathijssen, phó giáo sư tại Khoa Nghệ thuật & Khoa học, cho biết. "Có lẽ đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên mà chúng ta bắt đầu kết hợp những điều này lại với nhau".
Những phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Vật lý chất lỏng, cung cấp một phương pháp khoa học để cải thiện hiệu quả chiết xuất để ít bã cà phê hơn có thể đi xa hơn mà không làm giảm chất lượng tổng thể.
"Chúng tôi đã cố gắng tìm ra cách sử dụng ít [hoặc] ít cà phê nhất có thể và chỉ tận dụng động lực học chất lỏng của quá trình rót từ ấm cổ ngỗng để tăng lượng chiết xuất từ bã cà phê—trong khi sử dụng ít bã hơn", đồng tác giả Ernest Park, một nhà nghiên cứu sau đại học tại Phòng thí nghiệm Mathijssen cho biết.
Đồng tác giả Margot Young, một nhà nghiên cứu sau đại học tại Phòng thí nghiệm Mathijssen giải thích rằng thí nghiệm này đòi hỏi phải làm cho những thứ vô hình trở nên hữu hình.
"Độ mờ đục của cà phê khiến việc quan sát trực tiếp động lực học rót qua trở nên khó khăn, vì vậy chúng tôi đã hoán đổi các hạt silica gel trong suốt trong một hình nón thủy tinh", Park giải thích.
Một tấm laser và máy ảnh tốc độ cao cho phép họ quan sát các dòng nước tạo ra "lũ lụt thu nhỏ" các hạt—tiết lộ hoạt động bên trong của dòng chảy. Nước đổ từ trên cao tạo ra hiệu ứng tuyết lở khuấy động lớp hạt và tăng cường chiết xuất.
Một camera tốc độ cao bắt được nước thấm vào lớp cà phê mô phỏng. Bằng cách mô phỏng cách tia nước tương tác với bã cà phê, nhóm nghiên cứu đã tìm ra mô hình dòng chảy hiệu quả nhất để chiết xuất hương vị với ít hạt hơn. Nguồn: Ernest Park
Một yếu tố chính trong quá trình này là dòng chảy tầng, hoặc dòng chảy êm và không nhiễu loạn—có thể thực hiện được bằng ấm đun nước cổ ngỗng, ngay cả khi dòng chảy rót nhẹ nhàng. "Nếu bạn chỉ sử dụng ấm đun nước thông thường, sẽ hơi khó để kiểm soát hướng dòng chảy", Park nói. "Và nếu dòng chảy không đủ tầng, nó cũng không đào được lớp cà phê".
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi nước được đổ từ trên cao, nó tạo ra hiệu ứng trộn mạnh hơn.
"Khi bạn pha một tách cà phê, thứ hấp thụ tất cả hương vị cà phê và tất cả những thứ ngon lành từ bã cà phê là sự tiếp xúc giữa bã cà phê và nước", Young giải thích. "Vì vậy, ý tưởng là cố gắng tăng cường tiếp xúc giữa nước và bã cà phê nói chung trong quá trình rót".
Họ phát hiện ra rằng nếu rót từ độ cao quá lớn, dòng nước sẽ vỡ thành các giọt, mang theo không khí vào trong nón cà phê, điều này thực sự có thể làm giảm hiệu quả chiết xuất.
Các nhà nghiên cứu đã tiến hành thêm các thí nghiệm với bã cà phê thật để đo lượng chất rắn hòa tan tổng thể trong quá trình chiết xuất. Kết quả của họ đã xác nhận rằng quá trình chiết xuất cà phê có thể được điều chỉnh bằng cách kéo dài thời gian trộn với các lần rót chậm hơn nhưng hiệu quả hơn, sử dụng động lực học tuyết lở.
Đối với dòng nước dày hơn, họ phát hiện ra rằng việc rót nhiều hơn sẽ tạo ra cà phê đậm hơn, xác nhận quan sát của họ về việc khuấy động tăng lên với độ cao rót cao hơn. Khi sử dụng tia nước mỏng hơn, quá trình chiết xuất vẫn duy trì ở mức cao nhất quán trên các độ cao rót khác nhau, có thể là do thời gian rót lâu hơn để đạt được thể tích mục tiêu.
Để xác định chính xác các biến số của quá trình rót ảnh hưởng đến hương vị, nhóm đã ghi lại nhiệt độ, trọng lượng, kích thước xay và thời gian chiết xuất của từng lần pha, sau đó đánh giá kết quả về hương vị. Các thang đo chính xác và ghi chú phòng thí nghiệm chi tiết là chìa khóa để chuyển đổi động lực học chất lỏng thành một tách cà phê ngon hơn. Nguồn: Ernest Park
Những hàm ý rộng lớn vượt ra ngoài phạm vi nhà bếp
Nghiên cứu này là một bức thư tình gửi đến cà phê—và cũng là một cửa sổ mở ra nghiên cứu rộng hơn của nhóm. "Chúng tôi không chỉ làm điều này vì vui", Mathijssen nói. "Chúng tôi có các công cụ từ các dự án khác và nhận ra rằng cà phê có thể là một hệ thống mô hình gọn gàng để khám phá các nguyên lý vật lý sâu hơn".
