Выдержки из статей Владимира Шамаева
Прежде чем приступить к рассмотрению взаимодействия интересующего нас объекта с водой, неплохо было бы определиться, что собой̆ представляет кофейное зерно, из чего оно состоит и какими свойствами обладает. Также полезно иметь представление о другом участнике процесса – воде, и конечно, об окружающей среде, в которой эти две структуры взаимодействуют. Коротко обо всех партнерах.
Зерно зеленого и жареного кофе можно определить как гетерогенное, капиллярно пористое, коллоидное тело органического происхождения с клеточной структурой. Действительно, кофейное зерно – система неоднородная, его конструкция ячеистая с массой пор различного размера, в том числе, капиллярных 0,2 ÷ 0,3 мкм, и микропор, диаметр которых не превышает 0,01 мкм.
Набор химических веществ в семенах кофейного дерева тот же, что и в семенах других растений. Поведение воды в биологическом материале – зеленом кофе существенно отличается от поведения воды в жареном кофе.
Вода в кофейном зерне присутствует в виде пара, жидкости и в составе сложных молекулярных систем. Влагу в пористом коллоидном материале принято делить на свободную, поглощенную и связанную. Вода внутри зерна удерживается благодаря пористой̆ структуре и наличию биополимеров.
Зерно остается влажным до тех пор, пока в воздухе присутствует вода. Насыщение зерна водой (сорбция) или удаление воды из зерна (десорбция) наряду с экстракцией являются ключевыми процессами в технологии производства кофе. Все процессы на поверхности и внутри кофейного зерна протекают под действием факторов внешней среды.
Окружающая среда (атмосферный воздух) – это газовая смесь, состоящая из инертного азота, агрессивного кислорода, небольшого количества других газов, в основном нейтральных, и воды в виде пара. Пар при определенной температуре, которая называется точкой росы, переходит в жидкую фазу и выпадает в виде дождя, снега или росы. Атмосферная влага играет огромную роль в аграрном периоде кофе, при первичной обработке семян, в логистике, термообработке и даже при оценке аромата и вкуса. Не следует забывать и о том, что в атмосфере присутствует несметное количество разнообразных невидимых глазом микроорганизмов, спор грибов и др. Их жизненная активность зависит от термодинамических параметров среды и оказывает доминирующее влияние на сроки хранения продуктов.
Для того, чтобы мы могли последовательно и внимательно рассмотреть весь путь, который проходят кофе и вода от фермы до чашки с ароматным напитком, необходимо знать из каких химических веществ состоит кофе.
Химический состав семян кофейного дерева ничем не отличается от химического состава семян других растений, те же белки, жиры, углеводы, кислоты, минералы и вода. Различие состоит в количестве и качестве этих веществ.
От того, в какой форме находятся вещества, входящие в состав кофейного зерна, зависят его влажностные показатели, а значит, товарные и технические свойства. Из таблицы видно, что наиболее полно в зеленом кофе представлены сложные углеводы. Часть белков и жиров также имеют форму полимеров. Общая масса биополимеров в зерне равна 50 ÷ 60%. Одним из свойств веществ этого класса является способность присоединять и удерживать молекулы воды.
В процессе обжарки сложные вещества разлагаются на простые. Их способность связывать воду заметно снижается или вовсе исчезает. Влажность жареного кофе уменьшается до 1 ÷ 2%. Через несколько часов после обжига влажность зерна вновь увеличивается и достигает 3 ÷ 4%, но это уже происходит не столько благодаря наличию биополимеров, сколько за счет гигроскопичности пористого материала.
Всю воду, которая находится в зерне, разделяют на три вида: свободную, гигроскопическую и связанную. Такое деление достаточно условно, так как на самом деле часть молекул воды свободно перемещается внутри зерна и может при определенных условиях переходить из одного вида в другой, то есть, принимать любую из перечисленных форм. Количество воды в каждой форме постоянно изменяется во времени, причем процессы идут очень медленно и зависят от биологических, физических характеристик и химического состава зерна, а также от состояния окружающей среды. Влажность продукта стремится к равновесному состоянию с влажностью окружающей среды, но изменения в воздухе происходят быстрее, чем в зерне, и такой разнобой мешает установлению термодинамического равновесия.
Измерение количества влаги, находящейся в том или другом виде,- задача трудновыполнимая. Для того, чтобы эти измерения были возможны, разработаны специальные приборы, в которых определение величины влажности и других показателей проводят в изолированной камере с искусственно созданной окружающей средой, имеющей стабильные параметры. Несмотря на всё сказанное, формы присутствия воды в зерне имеют принципиальные отличия, а деление на свободную и связанную воду дает ответы на многие вопросы.
Свободная вода обладает такими же свойствами, что и чистая вода, так как ее энергия связи не отличается от энергии связи обычной воды. Она также легко испаряется, при тех же температурах переходит в жидкую или твердую фазу, сохраняет свойства растворителя. Свободная вода, не связанная полимерами, доступна для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций. Другое название свободной воды – механически связанная влага (физико-механическая вода). Свободная влага извлекается из объекта отжимом, методом центрифугирования или выпариванием. При выпаривании попутно удаляется часть связанной воды и небольшое количество летучих веществ, входящих в состав зерна.
Гигроскопическая вода (абсорбированная, поглощенная влага) – это влага, поглощенная зерном из воздуха. Она имеет более высокий потенциал энергии связи и в большей степени зависит от системы, в которой находится. Так же, как свободная вода, поглощенная влага испаряется при повышенной температуре. Пар в виде плотного слоя на поверхности зерна и пар, проникший внутрь пористой структуры, относятся к гигроскопической влаге. Поведение воды, находящейся в газовой фазе, внутри зерна изменчиво. Молекулы воды, из которых образовался пар, то присоединяются к полимерам, то покидают их, то конденсируются в микропорах, то снова превращаются в пар. Гигроскопическую воду можно назвать водой, находящейся на переходной стадии. Ее свойства отчасти повторяют свойства свободной воды, отчасти – связаннои.̆
Связанная вода – это ассоциированная влага, прочно соединенная с различными компонентами зерна – белками, липидами и углеводами. Ее свойства существенно отличаются от свойств чистой воды. Связанная вода не может быть растворителем, не замерзает при низких температурах (–40 °C). Для того чтобы отделить связанную воду от вещества, с которым она объединена, необходимо затратить значительное количество энергии. Удаление связанной воды приводит к нарушению структуры белков, жиров и углеводов, с которыми она ассоциирована, и к изменению технологических особенностей зерна. Поскольку механизмов связывания воды достаточно много, связанную воду разделяют на: химически связанную, органически связанную, адсорбционно связанную, воду микрокапилляров, осмотически связанную, гидратную воду и иммобилизационную воду. Наибольшей энергией связи обладает химически связанная вода. Ее можно удалить из материала только с помощью химической реакции или интенсивной термообработкой – прокаливанием.
Для увеличения количества связанной воды в систему внедряют связующие материалы,- в пищевой промышленности это сахара, растворимые соли и некоторые спирты.
Воду, используемую для приготовления напитка, можно так охарактеризовать : вода должна быть кристально чистой и обладать высокими качественными показателями. Очевидно, такого определения недостаточно, поскольку вода в кофеварении выполняет не только самую главную работу – извлечение из порошка молотого кофе веществ, необходимых для формирования вкуса и аромата, но и другие задачи. В котельной установке профессиональной кофе машины она является теплоагентом. С помощью пара вспенивают молоко. Значительна роль воды и в лабораторных исследованиях. Влажность окружающей среды воздействует на оценку вкусовых и ароматических показателей напитка.