Приготовление кофе, каким бы оно со стороны не выглядело простым, на самом деле является достаточно сложным процессом. Совокупность физического взаимодействия кофе и воды и химических реакций, происходящих при этом, дают нам возможность насладиться вкусным напитком.

Для достижения идеального вкуса многие бариста проводят исследования, изучают кофе, пишут статьи. Их опыт становится отправной точкой для многих начинающих бариста. Больше 12 лет я работаю с кофе. Готовлю его для себя, для друзей, для гостей наших кофеен. И каждый день – это новая возможность для экспериментов, для получения уникального вкуса. 

В этом году мне присудили победу в первом Российском чемпионате по аэропрессу, и скажу честно – это был долгий путь. Бариста нашей кофейни готовились к нескольким чемпионатам, в том числе  Brewers Cup, и много трудились для достижения успеха. Забегая вперед, оговорюсь, что в чемпионате по Brewers Cup я не победил, а, напротив, заставил судей сомневаться в предложенной чашке именно из-за моих экспериментов с водой. Но эта ситуация только продемонстрировала успешность проведенных опытов.

Первое, о чем стоит вспомнить, начиная разговор о заваривании кофе, –  это стандарт Golden Cup:  отношение вода:кофе – 17,42 : 1.

В обжаренном кофейном зерне 25-35% – это легкорастворимые вещества, их количество зависит от таких факторов как сорт зерна, способ обработки, степень обжарки и др. Но для приготовления вкусной чашки не все эти вещества нам необходимы, а лишь примерно 20% массы зерна. Так, чтобы получить эти 18-22% экстракции веществ из кофейных зерен, стоит начать с 30 граммов молотого кофе, добавив в него 523 г воды. Но это не единственно верное соотношение, так как на вкус напитка влияют множество химических и физических факторов. Поэтому берем это соотношение за основу, а затем уже подстраиваем его под себя, изменяя параметры заваривания. При подборе вашего персонального профайла важно помнить, что при каждом заваривании изменять можно только один параметр. В противном случае невозможно будет определить, что именно повлияло на изменение вкуса чашки.

Перед углублением в технические, физические и химические термины необходимо напомнить вам о еще двух важных факторах, которые необходимо учитывать при заваривании кофе:

Температура воды:

Температура – показатель скорости экстракции, так как при более высоких температурах вещества растворяются быстрее. Кроме того, температура влияет на то, какие вещества будут растворены, ведь все микроэлементы растворяются при разных температурах, а возможность впитывания воды ограничена (эта особенность воды будет рассмотрена ниже). Использование чересчур горячей воды (кипятка) приводит к горькому кофе, так как вода высвобождает ненужные углеводы из кофе.

Помешивание:

Изменение скорости экстракции напрямую зависит от продолжительности и интенсивности помешивания. Вспомните сахар, добавленный в горячий чай: он ляжет слоем на дно и будет медленно отдавать сладость напитку, но если перемешать, то растворится за считанные секунды. Помешивание ускоряет растворение твердых веществ (сложных углеводов) в воде.

Содержание пищевых веществ на 100 г молотого кофе. 

Пищевая ценность

* Калорийность: 200,6 кКал

* Белки: 13,9 гр.

* Жиры: 14,4 гр.

* Углеводы: 4,1 гр.

* Пищевые волокна: 12,8 гр.

* Органические кислоты: 9,2 гр.

* Вода: 7 гр.

* Моно- и дисахариды: 2,8 гр.

* Зола: 4,5 гр.

Витамины

* Витамин PP: 17 м)
* Витамин B1 (тиамин): 0,07 мг
* Витамин B2 (рибофлавин): 0,2 мг
* Витамин PP (Ниациновый эквивалент): 19,3074 мг

Макроэлементы                                                                  

* Кальций: 147 мг                                    

* Магний: 200 мг

* Натрий: 2 мг

* Калий: 1600 мг

* Фосфор: 198 мг 

Микроэлементы

  * Железо: 5,3 мг

Углеводы являются одним из основных элементов кофе.

В процентном отношении сахароза составляет  0,56%. Из моносахаридов можно выделить глюкозу – 1,25%, фруктозу – 1,1%, арабинозу – 0,15% и галактозу – 0,1%.

Колебания в составе и количестве моносахаридов связаны с процессом карамелизации при обжарке и последующим гидролизом клетчатки, пентозанов и других полисахаридов.

Кислоты – проводники вкусов

Из органических кислот в кофе обнаружены: лимонная, яблочная, малеиновая, уксусная, щавелевая, хлорогеновая, криптохлорогеновая, изохлорогеновая и хинная.

В процессе обжарки снижается содержание хлорогеновых кислот за счет их разрушения и участия в реакциях с аминокислотами, белками. Чем больше кислот и кофеина содержится в зеленом кофе, тем более интенсивно будет происходить изменение цвета зерна при обжарке.

Как уже отмечалось выше, немаловажную роль в заваривании кофе играет вода. Химический состав воды влияет на вкус напитка. Качество используемой воды подчеркивает совершенство вкуса кофе, но как контролировать качество воды? 

Контроль качества питьевой воды в России осуществляется Государственной санитарно-эпидемиологической службой РФ и регулируется рядом Санитарных правил и норм (СанПин).

SCAA (Specialty Coffee Association of America) также определяет нормы содержания микроэлементов в воде.

Сравнительная таблица [18, 20] :

Химический элемент

Обозначение

Норма СанПиН,

мг/л

Норма SCAA,

мг/л

Общая минерализация

 —

200—500

200-300

Водородный показатель

 Ph

1,5—7,0

6,5-7,5

Калий + Натрий

K[+1] + Na[+1]

2—40

7-10

Магний

Mg[+2]

5—50

42-48

Кальций

Ca[+2]

25—80

51-68

Хлориды

Cl[-1]

не более 150

0

Сульфаты

SO4[-2]

не более 150

35-45

Гидрокарбонаты

HCO3[-1]

30—400

 

Фтор

F[-1]

0,6—1,2

0-0,5

 

Как мы видим из таблицы, не все показатели  совпадают. Это обусловлено тем, что при определении норм разные инстанции опираются на разные требования.

В пособии «The SCAA Water Quality Handbook» приводятся следующие характеристики, которым должна соответствовать вода для приготовления кофе:

1) Запах. У воды не должно быть никакого запаха. Очевидные запахи, вызванные сульфатами, хлором, фенольными соединениями, бактериями и другими микроорганизмами, должны быть удалены (например, при помощи фильтрации).

2) Цвет. Вода должна быть бесцветной, прозрачной.

3) Хлор. Содержание хлора должно составлять 0 мг/л. Вкус хлора очень влияет на вкус чашки, поэтому он должен быть удалён из воды полностью. В природной воде хлор не встречается, его добавляют в водопроводную воду для дезинфекции.

4) Общее количество растворённых частиц (TDS) или общая минерализация. Рекомендуемые параметры воды для приготовления кофе – от 75 до 250 мг/л, оптимальный вариант 150 мг/л.

5) Кальциевая жёсткость. Рекомендуемые параметры – 17-85 мг/л, оптимальный вариант  51-68 мг/л. Кальциевая жёсткость зависит от количества ионов кальция, содержащихся в воде. Общая жёсткость определяется количеством катионов в воде и может быть создана минералами с положительным зарядом. Основными компонентами, определяющими жёсткость, являются кальций (Ca [+2]) и магний (Mg [+2]). Растворенное железо (Fe [+2]) и марганец (Mn [+2]) также подпадают под категорию жёсткости, но они, как правило, составляют лишь очень малую её часть. Слишком высокая жёсткость приводит к неисправности оборудования и «плоскому» вкусу напитка.

6) Общая щёлочность. Около 40 мг/л. Эта мера определяется концентрацией отрицательных ионов в воде. Щелочные соединения, такие как бикарбонаты (например, пищевая сода), карбонаты, гидроксиды уменьшают концентрацию ионов водорода (H +) и понижают кислотность воды. Слишком высокий уровень щелочности может повлиять на экстракцию и вкус кофе.

7) Натрий. Рекомендуемая норма – менее  30 мл/л. Оптимальный вариант 10 мг/л.

8)Уровень рН. Рекомендуемая норма – от  6,5 до 7,5. Оптимальный вариант - 7. Чистая вода должна иметь нейтральный рН 7. Как правило, если для варки кофе используется вода со слишком высоким уровнем рН, вкус кофе получается слишком «плоским».

По уровню рН воды можно разделить на следующие группы [17]:

Группа

рН

Особенности

Сильнокислые воды  

<3

результат гидролиза солей тяжелых металлов (шахтные и рудничные воды

Кислые воды

3=5

поступление в воду угольной кислоты, фульвокислот и других органических кислот в результате разложения органических веществ

Слабокислые воды

5=6,5

присутствие гумусовых кислот в почве и болотных водах (воды лесной зоны)

Нейтральные воды

6,5=7,5

наличие в водах Ca(HCO3)2
Mg(HCO3)2

Слабощелочные воды

7,5=8,5

наличие в водах Ca(HCO3)2,
Mg(HCO3)2

Щелочные воды

8,5=9,5   

присутствие Na2CO3 или NaHCO3

Сильнощелочные воды

>9,5

присутствие Na2CO3 или NaHCO3

Водородный показатель воды (уровень рН) – это показатель концентрации водородных ионов

Для питьевой воды величина рН должна составлять от 6 до 9. Измеряют активную реакцию воды специальными приборами - рН-метрами, иногда с помощью индикаторов. Активная реакция воды в зависимости от концентрации водородных ионов может быть нейтральной, кислой или щелочной. Величина водородного показателя является наипервейшим фактором экстрактивности сухого продукта в воде. При рН от 6,5 до 9,5 экстрактивность достигает 100%; рН от 5 до 7 экстрактивность от 50 до 100%; рН больше 9,5 дает 150% экстрактивности, что ведёт к тому, что в напиток попадают ненужные вещества.

Жесткость воды

Жесткость воды – это характеристика воды, зависящая от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью. Общая жесткость воды подразделяется на карбонатную, обусловленную концентрацией гидрокарбонатов (и карбонатов при рН 8,3) кальция и магния, и некарбонатную – концентрация в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот. Поскольку при кипячении воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты, которые выпадают в осадок, карбонатную жесткость называют временной или устранимой. Остающаяся после кипячения жесткость называется постоянной. Результаты определения жесткости воды обычно выражают в мг-экв/дм3.

Высокая жесткость воды ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус. Оптимальная жесткость воды для приготовления кофе – 6,5-7,5 мг-экв/дм3.

Общая минерализация

В мировой практике также встречается профессиональное понятие TDS, в России ему начали уделять внимание относительно недавно. TDS (Total Dissolved Solids)  означает общее количество растворённых частиц в воде. TDS – это показатель общего уровня минерализации раствора (воды).  Обычно минерализацию подсчитывают в миллиграммах на литр (мг/л). В отношении минерализации кофе как напитка чаще используется понятие parts per million (ppm, частицы на миллион частиц воды). Соотношение между единицами измерения в мг/л и ppm почти равное, и для простоты можно принять, что 1 мг/л = 1 ppm

Высокий уровень TDS, как правило, свидетельствует о жёсткости воды, но не является ее показателем.

Общая минерализация – это суммарная концентрация анионов, катионов и недиссоциированных, растворенных в воде органических веществ. Общая минерализация воды совпадает с сухим остатком. Минерализация чистой питьевой воды не должна превышать 1000 мг/л.

По степени общей минерализации воды делятся на следующие виды:

-        чистые питьевые (150-1000 мг/л),

-        слабоминерализованные (1000-2000 мг/л),

-        малой минерализации (2000-5000 мг/л),

-        средней минерализации (5000-15000 мг/л),

-        высокой минерализации (15000-30000 мг/л),

-        рассольные минеральные воды (35000-150000 мг/л),

-        крепкорассольные воды (150000 мг/л и выше).

Воды с высокой общей минерализацией имеют более высокую жесткость.

В водных растворах подавляющее большинство солей существует в виде ионов. В природных водах преобладают три аниона (гидрокарбонат HCO3-, хлорид Cl-и сульфат SO42-) и четыре катиона (кальций Ca2+, магний Mg2+, натрий Na+ и калий K+) – их называют главными ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный привкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния – горький, гидрокарбонат-ионы безвкусны.

Немного разобравшись в составе воды, перейдем к воде как веществу.

Вода (оксид водорода) H2O − простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом. Молекулярная масса воды составляет 18,0160 атомных единиц массы, на водород приходится 11,19 % по массе, а на кислород – 88,81 %. Структурная формула воды имеет вид треугольника Н2О (Н\О/Н)  

В жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость. Вода – одна из самых сложных структур, так как молекулы воды почти невозможно встретить в чистом виде Н2О, они всегда группируются в кластеры посредством водородных связей. Эти связи спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Существование таких кластеров было предсказано теоретически и обнаружено экспериментально. Простейшим примером водного кластера является димер воды (Н2О)2  

Группируясь, молекулы воды образуют разнообразные пространственные и плоскостные структуры. И из всего многообразия структур в природе базовой является гексагональная (шестигранная) структура, когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо.  Такой тип структуры характерен для льда, снега и талой воды, которую из-за наличия такой структуры, называют "Структурированной водой".

При подготовке к чемпионатам мы учли полученные нами теоретические знания о химических свойствах воды, но этого оказалось недостаточно. В процессе подготовки к чемпионату были проведены пробы вод различных производителей, с разным составом. Разные показатели открывали или наоборот вуалировали сладость, кислотность, аромат и послевкусие, делали по настоящему сухой и жидкий кофе.

Следующим этапом стало изучение свойств разных агрегатных состояний воды.

Наиболее качественную экстрактивность показал лед, а точнее талая вода. Кристаллический лед хорошо упорядочен по кислороду, но этого нельзя сказать про водород: в расположении ионов водорода (протонов) наблюдается сильный беспорядок. В талой воде молекулы объединены в ажурные кластеры (многомолекулярные кластеры). Это уникальное свойство талой воды способствует более легкому растворению в ней внешних белков и углеводов, а, следовательно, улучшает экстракцию.

Модель воды и льда [О.В.Мосин]

Рис.1. Структурные модели воды (слева) и льда (справа). В жидкой воде водородные связи нескольких соседних молекул образуют непостоянные, очень быстротечные структуры. Во льду каждая молекула воды жёстко связана с четырьмя другими молекулами. [16]

Под термином биологическая активность понимается «её свойство повышенного или пониженного (относительно контрольного образца) влияния на процессы жизнедеятельности биологических объектов, приобретенное в результате воздействия внешних факторов». Биологическая активность талой воды спадает  приблизительно за 12-16 часов, за это время разрушаются прочные водородные связи и вод вновь приобретает те же свойства, что имела до заморозки.

В интернете есть огромное количество рецептов биологически активной воды – замораживание, выпаривание, кислородообогащение.

Для своих экспериментов я выбрал заморозку, так как лед чист химически. В структуре льда практически нет примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Примеси, растворенные в воде, замерзают последними и оттаивают последними. Любой растущий кристалл стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. Именно поэтому снег всегда белый – все посторонние вещества вытесняются при переходе из жидкого состояния в твердое.

Лед замерзает не одномоментно и неравномерно – он замерзает к центру, сначала края, потом более «тяжелый» центр. Если проводить этот эксперимент несколько раз, то можно определить, какой объем жидкости замерзает в единицу времени и тем самым рассчитать, в какой момент начинают замерзать растворенные в воде лишние для нас вещества. В этот момент следует приостановить процесс заморозки и слить воду с примесями (примерно 20% растворенных веществ; в осадок выпадают в основном тяжелые соли кальция и калия). Талая вода становится намного активнее к экстрагируемому веществу за счет упорядоченного кислорода. Кислород является мощным окислителем, и играет особую роль в экстракции. Активный кислород ускоряет процесс расщепления полисахаридов на моносахариды, и, как следствие, делает экстрагируемый напиток слаще.

Органолептические свойства полученного образца талой воды заметно отличались от первоначального образца. Была отмечена повышенная вязкость воды, в сочетании с легкостью и более округлым телом. Вкус более сладкий и свежий (возможно, за счет эффекта температурного перехода)

Для заваривания кофе необходимо нагреть воду. Какая температура наиболее «полезна» для экстракции? При подготовке к чемпионату я ознакомился со статьей о Дегазированной воде (метод братьев Зелепухиных). По свидетельству авторов, такая вода содержит меньше внешних газов.

Кипячение воды проходит три ясно различимые стадии.

- Первая начинается с того, что со дна чайника вверх поднимаются маленькие пузырьки воздуха, и группы пузырьков собираются на поверхности воды у стенок чайника. Постепенно количество пузырьков возрастает.

- Вторая стадия характеризуется массовым и стремительным подъемом пузырьков, что вызывает сначала легкое помутнение, а затем даже побеление воды – подобно быстро бегущему ручейку. Это кипение «белым ключом» крайне непродолжительно и вскоре сменяется третьей стадией.

- Третья стадия – интенсивное бурление воды с появлением на поверхности больших лопающихся пузырей, а затем и – брызгание. Эти брызги показывают, что вода уже сильно перекипает, становится «мертвой». Следует помнить, что в зависимости от высоты над уровнем моря. Чем выше, тем ниже атмосферное давление и ниже температура кипения воды. Для Санкт-Петербурга температура кипения (и температура «смерти») воды составляет 96оС

Вода, нагретая до «белого ключа», по законам физики дегазуется и не успевает вновь насытиться газами.

На своем выступлении на чемпионате по Brew и Aeropress  я сочетал два этих опыта. Сначала вода была заморожена, а после нагрета до «белого ключа» (91-92 оС). Итогом стала преображенная чашка: более сладкая, с более явными яблочной, лимонной и уксусной кислотами, с плавным завершением на глотке.

Впереди следующие чемпионаты, и мы не останавливаемся на достигнутом. Продолжаем теоретическое изучение и проводим эксперименты, чтобы получить максимально вкусную чашку.

Литература

1. Ауэрбах Ф. Семь аномалий воды. - СПб., 1919.

2. Белянин В. С., Романова Е. Золотая пропорция. Новый взгляд // Наука и жизнь, 2003, № 6.

3. Вода: структура, состояние, сольватизация. Достижения последних лет. - М.: Наука, 2003.

4. Габуда С. П. Связанная вода. Факты и гипотезы. - Новосибирск: Наука, 1982.

5. Зацепина Г. Л. Физические свойства и структура воды. — М.: Изд-во Московского университета. — 1998. — 185 с.

6. Зенин С.В., Полануер Б.М., Тяглов Б.В.. Экспериментальное доказательство наличия фракций воды. Ж. Гомеопатическая медицина и акупунктура. 1997.?2.С.42-46.

7. Зенин С.В., Тяглов Б.В., Сергеев Г.Б., Шабарова З.А.. Исследование внутримолекулярных взаимодействий в нуклеотидамидах методом ЯМР. Материалы 2-й Всесоюзной конф. По динамич. Стереохимии. Одесса.1975.с.53.

8. Зенин С.В., Тяглов Б.В.. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.?4.С.636-641.

9. Зенин С.В., Тяглов Б.В.. Природа гидрофобного взаимодействия. Возникновение ориентационных полей в водных растворах. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.?3.С.500-503

10. Зенин С.В.. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем. Диссертация. Доктор биологических наук. Государственный научный Центр "Институт медико-биологических проблем" (ГНЦ "ИМБП"). Защищена 1999. 05. 27. УДК 577.32:57.089.001.66.207 с.

11. Масару Эмото. Послания воды: Тайные коды кристаллов льда. Перев. с англ. М. ООО Издательский дом "София".2005.

12. Синюков В. В. Вода известная и неизвестная. - М.: Знание, 1987.

13. Смирнов А. Н. Структура воды: новые экспериментальные данные. // Наука и технологии в промышленности, 2010, № 4, с. 41—45.

14. Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Супранадмолекулярные комплексы воды // Российский химический журнал. — М.: Рос. хим. об-во им. Д. И. Менделеева, 2004, т. 48, № 2, с. 125—135.

15. Dominik Marx Proton Transfer 200 Years after von Grotthuss: Insights fromAb Initio Simulations (англ.) // ChemPhysChem. — 2006. — Vol. 7. — P. 1848—1870

16. http://samlib.ru/o/oleg_w_m/cdocumentsandsettingsolegmosinmoi dokumentysrediwsehweshestwimejushihsjanazemlertf.shtml

17. http://www.gicpv.ru/him31-5.htm

18. http://www.opengost.ru/iso/13_gosty_iso/13060_gost_iso/1306001_gost_iso/

19. http://www.water2man.ru/voda_model_vody.html

В материалах использованы фотографии Павла Сабудзинского, Бибы Бекжан, Дмитрия Короткова, Романа Кантола