Desbloqueo del potencial del café: Física ofrece un camino hacia las mejores cervezas

El costo de los frijoles arábica crudos, el componente central de la mayoría de los café, se ha disparado en los últimos años debido a cuatro temporadas consecutivas de clima adverso. El cambio climático ha agregado una mayor tensión, amenazando el delicado equilibrio de temperatura requerido por la planta de Coffea Arábica. Esta creciente presión ha inspirado a los físicos en la Universidad de Pensilvania para preguntar: ¿Podemos hacer un gran café con menos frijoles?

«Hay mucha investigación sobre la mecánica de fluidos, y hay mucha investigación sobre partículas por separado», dice Arnold Mathijssen, profesor asistente en la Escuela de Artes y Ciencias. «Tal vez este es uno de los primeros estudios en los que comenzamos a unir estas cosas».

Sus hallazgos, publicado en la revista Física de los fluidosproporcionar un enfoque científico para mejorar la eficiencia de la extracción, por lo que menos café puede ir más allá sin disminuir la calidad general.

«Intentamos encontrar formas en que pudiéramos usar menos [or] Tan poco café como sea posible y simplemente aproveche la dinámica fluida del vertido de una tetera de cuello de cisne para aumentar la extracción que obtiene de los campos, mientras usa menos terrenos «, dice el coautor Ernest Park, investigador graduado en el Laboratorio Mathijssen.

El experimento requirió hacer que el invisible sea visible, explica el coautor Margot Young, investigador graduado en el laboratorio de Mathijssen.

«La opacidad del café hace que sea difícil observar la dinámica de vertido directamente, por lo que cambiamos en partículas transparentes de gel de sílice en un cono de vidrio», explica Park.

Una hoja láser y una cámara de alta velocidad les permitieron ver las corrientes de agua crear «avalanchas en miniatura» de partículas, revelando el funcionamiento interno del flujo. El agua vertida desde una altura produce el efecto de avalancha que agita el lecho de partículas y mejora la extracción.

Un factor clave en este proceso es el flujo laminar o liso y no tonturbulento, hecho posible por una tetera de cuello de cisne, incluso con un flujo suave de vertido. «Si solo tuvieras un hervidor de agua normal, es un poco difícil controlar dónde va el flujo», dice Park. «Y si el flujo no es lo suficientemente laminar, no desenterran la cama de café también».

El equipo descubrió que cuando se vierte el agua desde una altura, crea un efecto de mezcla más fuerte.

«Cuando estás preparando una taza, lo que obtiene todo ese sabor de café y todas las cosas buenas de los jardines es el contacto entre los terrenos y el agua», explica Young. «Entonces, la idea es tratar de aumentar el contacto entre el agua y los terrenos en general en el vertido».

Descubrieron que si se vierte de una altura demasiado grande, la corriente de agua se separa en gotas, llevando aire con él al cono de café, lo que en realidad puede disminuir la eficiencia de la extracción.

Los investigadores realizaron experimentos adicionales con un café real para medir el rendimiento de extracción de sólidos disueltos totales. Sus resultados confirmaron que la extracción de café se puede ajustar prolongando el tiempo de mezcla con vertidos más lentos pero más efectivos que utilizan la dinámica de avalancha.

Para un flujo de agua más grueso, encontraron que los vertidos más altos dieron como resultado un café más fuerte, confirmando sus observaciones sobre una mayor agitación con alturas de vertido más altas. Al usar un chorro de agua más delgado, la extracción permaneció consistentemente alta en diferentes alturas de vertidos, posiblemente debido al tiempo de vertido más largo requerido para alcanzar el volumen objetivo.

Amplias implicaciones que se extienden más allá de la cocina

El estudio es una carta de amor para el café, y también es una ventana a la investigación más amplia del equipo. «No solo estábamos haciendo esto por diversión», dice Mathijssen. «Teníamos las herramientas de otros proyectos y nos dimos cuenta de que el café podría ser un sistema de modelos ordenado para explorar principios físicos más profundos».

Esos principios se extienden mucho más allá de la cocina, notas jóvenes. «Este tipo de comportamiento fluido nos ayuda a comprender cómo el agua erosiona la roca bajo cascadas o detrás de las presas», dice ella. Incluso el tratamiento de aguas residuales y los sistemas de filtración involucran dinámicas similares, agrega Mathijssen.

El proyecto también refleja una investigación en curso en el laboratorio, ya que Park está trabajando en superficies activas de microescala que utilizan campos magnéticos giratorios para limpiar las biopelículas de dispositivos médicos.

Mientras tanto, Young está investigando los flujos biológicos ultra rápido, utilizando la misma configuración de imagen de alta velocidad para estudiar cómo pequeños vórtices generados por los cilios pulmonares ayudan a limpiar los patógenos.

«Puedes comenzar a poco, como con café», dice Mathijssen. «Y termina descubriendo mecanismos que importan a escalas ambientales o industriales».