Невзирая на то, что все слышали ранее, более темная обжарка не уменьшает содержание кофеина в кофейном зерне. Содержание кофеина практически не меняется при обжарке, т.к. он стабилен при типичных температурах обжарки. Т.к. зерно теряет массу во время обжарки, то доля кофеина по весу растет во время обжарки. Следовательно, если заварить кофе всех степеней обжарки с определенным соотношением воды к массе молотого кофе (а не к его объему), то более темная обжарка даст заваренный кофе с более высоким содержанием кофеина.
Теплопередача при обжарке кофе
Кофе-ростеры передают тепло зернам путем конвекции, кондукции, радиации. Каждый ростер передает тепло путем различной комбинации этих механизмов. Ниже мы рассмотрим, как конструкция ростера влияет на теплопередачу.
Конвекция, кондукция, радиация
«Классические» барабанные ростеры, прилагающие тепло напрямую к барабану, обжаривают зерна преимущественно путем конвекции, и в меньшей степени путем кондукции. Радиационный нагрев от горячих поверхностей ростера, и между соседними зернами — тоже вносит свой незначительный вклад в теплопередачу. В личной беседе со мной, представитель широкоизвестного немецкого производителя оценил теплопередачу в барабанных ростерах своей компании как на 70% путем конвекции, и на 30% путем кондукции.
В барабанных ростерах непрямого нагрева, барабан отделен от источника тепла, чтобы поддерживать барабан более холодным во время обжарки. В таких ростерах, на конвекцию приходится большая часть теплопередачи.
Ростеры с кипящим слоем не имеют барабана, и зерна обжариваются путем «плавания» в высокоскоростном потоке горячего газа. Рециркуляционные ростеры, собирают и повторно используют часть дымовых газов после процесса обжарки. Объем эти конструкции ростеров передают тепло почти полностью за счет конвекции.
В начале обжарочной партии (батча), загрузка зерен вводит в горячий ростер большой объем зерна и воздуха комнатной температуры, в результате температура окружающей среды в ростере резко падает. В течение первых нескольких минут обжарки батча в классическом барабанном ростере, кондукция от горячего барабана играет значительную роль в передаче тепла зернам. По мере того, как температура воздуха в ростере подскакивает после первоначального резкого падения, конвекция становится доминирующим механизмом теплопередачи. В таком ростере, барабан играет роль «теплоаккумулирующего» устройства, которое запускает развитие зерен в ранний момент обжарки батча. Ростеры, ориентированные на конвекцию, требуют использования более высоких температур загрузки, чтобы обеспечить адекватную теплопередачу в ранний момент обжарки батча, и компенсировать отсутствие теплоаккумулирующего барабана.
Теплопередача и температурный градиент
Примерно первые две трети процесса обжарки представляют собой эндотермический процесс, т.е. зерна поглощают энергию, и тепло передается путем кондукции снаружи внутрь зерна. Температурный градиент, или «АТ», между внутренней и наружной частью зерна — в основном, и определяет скорость теплопередачи. Т.е. более высокий АТ приводит к более быстрому нагреву внутренней части зерна. АТ в самом начале обжарки примерно достигает ЭОТ (50°С), имеет в этом месте пик (или чуть более высокий пик), и уменьшается по мере продолжения обжарки.
Другими словами, через несколько первых минут обжарки, температура центра зерна должна медленно сравняться с температурой поверхности зерна, по мере того как обе эти температуры становятся выше. Как правило, ДТ будет иметь более высокий пик при быстрой обжарке, и более низкий пик при более длительной обжарке.
Тепломассоперенос внутри кофейных зерен
Начиная со слоя кофейного зерна, наиболее удаленного от центра зерна, влага испаряется во время обжарки и образует «фронт испарения», перемещающийся по направлению к центру зерна. Целлюлозная структура внутри зерна относительно холодная, поэтому остается неповрежденной и удерживает влагу в сердцевине зерна. Нагрев этой захваченной воды приводит к образованию водяного пара, увеличивая внутризеренное давление и заставляя структуру зерна расширяться. Это давление, пик которого, по оценкам различных исследователей, составляет от 5.4 атмосфер (550 кПа) до 25 атмосфер (2533 кПа), нарастает до тех пор, пока напряжения становятся достаточными для разрыва разрыв целлюлозной структуры; в этот момент времени и происходит первый крэк. Т.к. давление, пар и СО2 выходят из зерна во время первого крэка, температура сердцевины зерна скачет.