Sogar Kaffeekochen hat etwas mit Mathematik zu tun? Schlechter Schüler: Ich fühle mich beleidigt!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: denovo

Hersteller: China Science Expo

Seit seiner Einführung in China hat sich Kaffee von einem Luxusgetränk allmählich zu einem alltäglichen Getränk im Leben der Menschen entwickelt. Der Lebensstil der modernen jungen Leute nach dem Motto „Ich schlafe nicht, bis der Mond schläft“ macht Kaffee und andere erfrischende Getränke zu ihrer „Quelle des Glücks“.

Die Menschen kaufen Kaffee nicht nur im Laden, sondern entscheiden sich, wenn sie die Voraussetzungen dafür haben, auch dafür, ihn zu Hause zuzubereiten. Allerdings sind Kaffeekochen und gutes Kaffeekochen zwei verschiedene Konzepte. Wie kann man also guten Kaffee zubereiten?

Kaffeetrinken bei der Arbeit

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Sie hätten nicht erwartet, dass es auch für die Kaffeeextraktion eine Formel gibt!

Der Geschmack des Kaffees hängt von der Sorte, der Herkunft, dem Röstgrad und der Brühmethode der Kaffeebohnen sowie von der Wasserqualität, der Wassertemperatur, dem Mahlgrad, der Dosierung und dem Pressgrad beim Aufbrühen des Kaffees ab. Die Kaffeeextraktion ist ein sehr wichtiger Teil der Kaffeezubereitung und ein entscheidender Schritt für die Zubereitung köstlichen Kaffees.

Bei der Extraktion handelt es sich um einen Grundvorgang, bei dem eine Mischung durch Ausnutzung der unterschiedlichen Löslichkeit der Komponenten im System im Lösungsmittel getrennt wird. Einfach ausgedrückt handelt es sich dabei um den Vorgang, bei dem beim Aufbrühen von Kaffee mit Wasser lösliche Substanzen aus dem Kaffeepulver entfernt werden. Nach der Extraktion ist der Kaffee, den wir trinken, eine Mischung aus löslichen Substanzen und Wasser. Der Extraktionsgrad wird üblicherweise anhand der Extraktionsrate (%) gemessen. Die Berechnungsformel lautet:

Extraktionsrate (%) = Masse der extrahierten Kaffeesubstanz ÷ Masse der ursprünglich hinzugefügten Kaffeebohnen

Wenn Sie beispielsweise 20 Gramm Kaffeepulver zum Zubereiten von Kaffee verwenden und der endgültige Kaffeerückstand nach dem Trocknen 17 Gramm wiegt, beträgt die lösliche Komponente 3 Gramm und die Kaffeeextraktionsrate beträgt 15 % (3 ÷ 20 = 0,15).

An dieser Stelle könnte sich jemand fragen, ob diese sogenannte Extraktionsformel wirklich zuverlässig ist. Welcher Kaffee schmeckt nach dieser Formel?

Tatsächlich ist die Antwort auf diese Frage schon lange bekannt. In den 1950er Jahren bestätigte das American Coffee Brewing Research Institute, dass die ideale Extraktionsrate zwischen 18 und 22 % liegt. Wenn die Extraktionsrate weniger als 18 % beträgt, handelt es sich um unterextrahierten Kaffee, und der Geschmack dieses Kaffees ist sauer. Wenn die Extraktionsrate über 22 % liegt, gilt der Kaffee als überextrahiert und schmeckt bitter und verbrannt. Daraus lässt sich erkennen, dass durch die Steuerung der Extraktionsrate des Kaffees unterschiedliche Kaffeearomen erzeugt werden können.

Wie können wir also die Extraktion von Kaffee kontrollieren? Wissenschaftler haben ein Programmiermodell entwickelt, um die Anpassung der Extraktionsrate zu erreichen und bei der Zubereitung köstlichen Kaffees zu helfen.

Kaffeeextraktion

(Bildquelle: pixabay.com)

Mit mathematischen Modellen zum leckeren Kaffee

Das Forschungsteam, zu dem Mathematiker, Chemiker, Materialwissenschaftler und Baristas gehörten, erstellte ein mathematisches Modell, um echte Bedingungen beim Kaffeebrühen zu simulieren. Sie erstellten ein spezielles Modell eines Geräts zum Mahlen von Kaffee, das Tausende von Kaffeepartikeln und das zum Aufbrühen des Kaffees verwendete Wasser enthält.

Da es sich um eine große Anzahl von Kaffeepartikeln handelt und ihre Anordnung komplex ist, wiederholten die Forscher die Simulationsgleichung mithilfe mathematischer Berechnungen millionenfach und gossen während des Vorgangs kontinuierlich Wasser hinzu, um echte Bedingungen beim Kaffeebrühen zu simulieren. Mithilfe eines mathematischen Modells wird vorhergesagt, wie viel fester Kaffee sich letztendlich im Wasser auflöst, d. h. die Extraktionsrate des Kaffees.

Diagramm der Geometrie eines Espressosiebs

(Bildquelle: Referenz 1)

Durch das Lösen einer Reihe von Gleichungen wurde festgestellt, dass das erstellte Modell die Extraktionsrate von Kaffee im wirklichen Leben genau vorhersagen kann. Sie stellten sich vor, dass Wasser schnell durch die Kaffeepartikel fließen würde, wenn sie groß genug wären. Wenn der Kaffee feiner gemahlen wird, haben die kleineren Partikel eine größere spezifische Oberfläche, und eine größere spezifische Oberfläche bedeutet eine größere Kontaktfläche mit Wasser, sodass die Substanz schneller extrahiert werden kann. Wenn die Kaffeepartikel jedoch zu fein gemahlen sind, verstopfen die zu feinen Partikel entgegen der Erwartung die Lücken für den Wasserfluss und behindern so die Extraktion, anstatt sie zu unterstützen.

Das Ziel eines Barista besteht nicht nur darin, köstlichen Kaffee zuzubereiten, sondern auch darin, auf wiederholbare Weise köstlichen Kaffee zuzubereiten. Daher bewerteten die Forscher die Reproduzierbarkeit des Geschmacks von zubereitetem Kaffee, indem sie die Reproduzierbarkeit der Kaffeeextraktionsrate unter verschiedenen Bedingungen maßen. Die theoretischen Ergebnisse der mathematischen Simulation zeigen, dass das Wasser in einem flacheren Kaffeebett schneller fließt, wenn die Kaffeemasse geringer ist. Gleichzeitig sind die beim groben Mahlen des Kaffees entstehenden Partikel gleichmäßiger, die Reproduzierbarkeit des extrahierten Kaffees ist besser und die Kaffeeextraktionsrate lässt sich in der erstellten Simulationsgleichung leichter vorhersagen.

Um also wiederholt großartigen Kaffee zuzubereiten, sollten Baristas entgegen der Erwartungen weniger gemahlenen Kaffee pro Schuss verwenden und den Kaffee etwas gröber mahlen. Nur so ist ein hochreproduzierbarer Kaffeegenuss gewährleistet.

Allerdings mag nicht jeder den gleichen Kaffeegeschmack. Auch für diesen Fall haben die Forscher eine Reihe von Verfahren entwickelt. Das Prinzip besteht darin, überextrahierten und unterextrahierten Kaffee in unterschiedlichen Anteilen zu mischen, um letztendlich Kaffee mit unterschiedlichen Aromen zuzubereiten.

Wie kann ich den Absauggrad zu Hause steuern?

(1) Mahlgrad

Bis zu einem gewissen Grad gilt: Je feiner der Kaffee gemahlen ist, desto größer ist die Oberfläche, was einen besseren Kontakt mit Wasser, eine bessere Extraktion und eine höhere theoretische Extraktionsrate bedeutet.

Kaffeemahlen

(Bildquelle: pixabay.com)

(2) Brühwassermenge

Beim Zubereiten von Kaffee fließt kontinuierlich Wasser durch das Kaffeebett, um die Extraktion abzuschließen. Theoretisch gilt: Je mehr Wasser durch den Kaffee fließt, desto mehr Inhaltsstoffe werden extrahiert und desto besser ist die Extraktion.

(3) Brühwassertemperatur

Die Extraktion von Kaffee erfordert die Aufnahme von Energie und die häufigste Energiequelle ist die thermische Energie des Wassers. Je höher die Temperatur, desto schneller die Extraktion. Es wird empfohlen, die Kaffee-Extraktionstemperatur zwischen 90 und 92 °C zu regeln.

Kaffee kochen

(Bildquelle: pixabay.com)

(4) Druck beim Kaffeebrühen

Der Druck beeinflusst auch die Extraktionsrate des Kaffees, wobei mehr Druck zu einem höheren Extraktionsgrad führt.

(5) Turbulenzen des Wassers auf der Kaffeeoberfläche

Unter Turbulenzen versteht man die Bewegung des Wassers im Kaffeebett bei der Kaffeezubereitung. Bei einer sehr hohen Wasserdurchflussrate bilden sich im System viele kleine Wirbel und die Stromlinien sind nicht klar. Je mehr und stärker die Turbulenzen, desto höher der Absauggrad.

Haben Sie nach der Lektüre dieses Artikels das Gefühl, mehr über Kaffee gelernt zu haben? Wenn Sie auch ein Kaffeeliebhaber sind, nutzen Sie diese 92 °C „heißen“ wissenschaftlichen Erkenntnisse und versuchen Sie, zu Hause eine Tasse köstlichen Kaffees zuzubereiten, der zu Ihnen passt!

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

1. Michael I. Cameron, Dechen Morisco, Daniel Hofstetter et al. Espresso systematisch verbessern: Erkenntnisse aus mathematischer Modellierung und Experimenten. Materie 2, 2020, 631–648.

2. Baggenstoss, J., Poisson, L., Kaegi, R., et al. Kaffeeröstung und Aromabildung: Anwendung unterschiedlicher Zeit-Temperatur-Bedingungen. J. Agric. Lebensmittelchemie. 2008, 56, 5836–5846.

3. Uman, E., Colonna-Dashwood, M., Colonna Dashwood, L., et al. Der Einfluss der Bohnenherkunft und der Temperatur auf das Mahlen von Röstkaffee. 2016, Sci. Rep. 6, 24483.4. Ross, CF, Pecka, K. und Weller, K. Einfluss der Lagerbedingungen auf die sensorische Qualität von gemahlenem Arabica-Kaffee. 2006, J. Food Qual. 29, 596–606.

5. Hu Rongsuo, Duan Qizhan, Dong Wenjiang et al. Zubereitungs- und Geschmacksqualitätsmerkmale von gefriergetrocknetem Kaffeepulver. Journal of Tropical Crops, 2019, 40(8):8.

6. He Hongyan, Liu Guanghua, Wen Zhihua et al. Vorstudie zu Faktoren, die die Kaffeeextraktionsrate beeinflussen. Guangxi Agrarwissenschaft, 2010, 41(3):2.