Die Preise für Arabica-Bohnen, die Essenz des Kaffees, sind in den letzten Jahren aufgrund ungünstiger Wetterbedingungen explodiert. Physiker fragen sich, ob eine bessere Extraktion die benötigte Kaffeemenge reduzieren könnte, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.
Um den Einfluss der Variablen auf den Geschmack zu messen, hat das Team Temperatur, Gewicht, Mahlgrad und Extraktionszeit jeder Zubereitung aufgezeichnet.
Bildnachweis: Ernest Park
Forscher der University of Pennsylvania haben die Strömungsdynamik bei der Kaffeezubereitung untersucht. Ihr Ziel war es, die Aromaextraktion mit weniger Bohnen zu optimieren. Das Team kombinierte präzise Messungen und Hochgeschwindigkeitsanalysen, um Bewegungen zu beobachten, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind.
Die in
Physics of Fluids veröffentlichte Studie zeigt, dass die Höhe, aus der das Wasser gegossen wird, die Effizienz der Extraktion beeinflusst. Ein Wasserstrahl, der aus einer bestimmten Höhe gegossen wird, erzeugt "Miniaturlawinen", die die Bohnen besser mit dem Wasser vermischen. Diese erhöhte Bewegung ermöglicht es, mehr Aromen mit weniger Kaffee zu extrahieren.
Die Wissenschaftler ersetzten den Kaffee durch transparente Silikagelpartikel, um den Prozess zu visualisieren. Ein Laser und eine Hochgeschwindigkeitskamera erfassten das Eindringen des Wassers in das Partikelbett. Diese Beobachtungen zeigten, dass eine laminare Strömung, die mit einer Ausgusstülle erzielt wird, die Extraktion optimiert.
Experimente mit echten Kaffeebohnen bestätigten, dass die Gießhöhe die Stärke des Kaffees beeinflusst. Ein dickerer Strahl, der aus größerer Höhe gegossen wird, ergibt einen stärkeren Kaffee, während ein feinerer Strahl eine von der Höhe unabhängige Extraktion ermöglicht.
Im Labor von Arnold Mathijssen verwendeten die Forscher eine Ausgusstülle, eine Kaffeemühle und eine Filtermethode, um die Strömungsdynamik bei der Zubereitung zu untersuchen.
Bildnachweis: Ernest Park
Die Implikationen dieser Forschung gehen über die Küche hinaus. Die entdeckten Prinzipien gelten für die Erosion von Gestein unter Wasserfällen oder die Abwasserbehandlung. Die Kaffeestudie eröffnet somit Perspektiven auf komplexe natürliche und industrielle Phänomene.
Das Team erforscht diese Strömungsdynamiken weiter in anderen Kontexten, wie der Reinigung von Biofilmen auf medizinischen Geräten. Diese Forschungen zeigen, wie scheinbar einfache Studien universelle Mechanismen aufdecken können.
Wie beeinflusst die Gießhöhe die Kaffeeextraktion?
Die Höhe, aus der das Wasser über die Kaffeebohnen gegossen wird, spielt eine entscheidende Rolle bei der Aromaextraktion. Ein Wasserstrahl, der aus einer bestimmten Höhe gegossen wird, erzeugt eine ausreichende Bewegung, um Wasser und Bohnen effektiv zu vermischen und so die Kontaktfläche zwischen ihnen zu vergrößern.
Dieser Effekt, genannt "Miniaturlawine", ist auf die kinetische Energie des Wasserstrahls zurückzuführen. Wenn das Wasser aus ausreichender Höhe fällt, dringt es tiefer in das Kaffeebett ein, was zu einer gleichmäßigeren und vollständigeren Extraktion der Aromastoffe führt.
Allerdings kann das Gießen aus zu großer Höhe den gegenteiligen Effekt haben. Der Strahl bricht in Tropfen auf, führt Luft in die Mischung ein und verringert die Extraktionseffizienz. Daher ist es entscheidend, ein Gleichgewicht zu finden, um den Prozess zu optimieren.
Diese Entdeckung zeigt, dass einfache Anpassungen der Zubereitungstechnik die Kaffeequalität signifikant verbessern und gleichzeitig die benötigte Bohnenmenge reduzieren können.
Was ist laminare Strömung und warum ist sie für Kaffee wichtig?
Laminare Strömung bezeichnet eine gleichmäßige Bewegung, bei der sich Partikel in parallelen Schichten ohne turbulente Vermischung bewegen. Eine laminare Strömung ermöglicht es dem Wasser, das Kaffeebett gleichmäßig zu durchdringen und die Aromaextraktion zu maximieren.
Oft wird eine Ausgusstülle verwendet, um diese Strömung zu erreichen. Ihre schmale, längliche Form ermöglicht eine präzise Kontrolle von Richtung und Geschwindigkeit des Wasserstrahls, was einen optimalen Kontakt zwischen Wasser und Kaffeebohnen fördert.
Im Gegensatz dazu kann eine turbulente Strömung, verursacht durch ungleichmäßiges oder zu schnelles Gießen, zu einer ungleichmäßigen Extraktion führen. Einige Teile des Kaffees werden überextrahiert und schmecken bitter, während andere unterextrahiert sind und an Geschmack fehlen.
Das Verständnis und die Beherrschung der laminaren Strömung sind daher entscheidend für die Zubereitung eines Kaffees mit konstanter Qualität, während gleichzeitig die wertvollen Arabica-Bohnen geschont werden.
Quelle: Physics of Fluids