4. ЭКСТРАКТОР – ПЕРКОЛЯТОР — КОФЕВАРКА
Методы экстрагирования. Настаивание. Френч-пресс (французский пресс, кофейный пресс, кофеварка поршневая, кофеварка плунжерная). Настаивание с перемешиванием. Разогрев непосредственный — джезва (турка, ибрик). Разогрев косвенный — кофе “по-восточному” (кофе “по-турецки”, кофе на песке). Материал посуды. Перколяция.
Перколяция с настаиванием. Кофеварка Белуа. “Переворачивающаяся двойная” кофеварка Мориза (napoletana, неаполитанская машина, macchinetta).
Перекидная труба. Циркуляционно-перекидная труба. Пароулавливающий колпак.
Однократная перколяция. Капельная кофеварка. “Гейзерная” (фонтанирующая, мока) кофеварка.Однократная перколяция с настаиванием. Вакуумная кофеварка Напьера.
Многократная перколяция. Циркуляционная кофеварка.
Движение потока воды при перколяции — ”сверху вниз”, “снизу вверх”.
В литературных источниках и в быту существует множество названий кофеварок – наплитная, электрическая, обычная, турка, джезва, ибрик, для заваривания кофе “по-турецки”, “по-восточному”, кофе на песке, кофейный пресс, поршневая, плунжерная, френч-пресс, французский пресс, наполетана, неаполитанская машина, мачинетта, фильтрационная, комрессионная, вакуумная, гейзерная, с гейзером, перколяционная, с перколятором-гейзером, циркуляционная, фонтанирующая, капельная, мокка, мока, паровая, пружинно-поршневая, кофейная машина, экспресс, неспрессо, сюрпрессо, эспрессо, “на чалдах”…
Объясняется это тем, что каждый из разработчиков конкретной кофеварки (морской офицер, ювелир, архиепископ, жестянщик и др. — честь и хвала им!), присваивал своему детищу имя по принципу: что и как вижу — так и называю. И человеческая память не стёрла эти названия. Смущает только то, что время добавило к существовавшим старым названиям новые, хотя от этого принцип действия кофеварок не изменился.
Описать все изобретения человечества, направленные на совершенствование процесса приготовления кофе не представляется возможным. Только в США, например, за 130 лет было выдано более 800 патентов на различные типы кофеварок.
Сегодня кофеварки по практическому использованию отнесены к аппаратам (оборудованию) технологического назначения предприятий торговли (питания), а в этой отрасли существует терминология, на которой общаются специалисты. Поэтому, если рассмотреть кофеварки именно с этой точки зрения, т.е. с позиции аппаратов технологического назначения и, лежащих в их основе процессов функционирования, то существует реальная возможность представить всё кажущееся многообразие кофеварок как единое целое.
Анализ факторов, влияющих на процесс экстракции, и инструментов, в которых эти факторы “собираются” вместе, т.е. кофеварок (экстракторов или диффузионных аппаратов), показал, что экстрагирование вкусовых и ароматических веществ из молотого кофе осуществляется следующими методами:
— настаиванием;
— настаиванием с перемешиванием;
— методом однократной или многократной перколяции (от лат. percolatio – процеживание, фильтрация);
— комбинацией перечисленных методов.
Экстрагирование методом настаивания происходит во френч-прессе (французский пресс, кофейный пресс, кофеварка поршневая, кофеварка плунжерная). Он (она) разработан(а) французской фирмой “Мелиор”. Кофеварка (френч-пресс) (рис. 12) представляет собой узкий и высокий стеклянный сосуд 1 с поршнем 2. Предварительно прогрев кофеварку, кладут в неё определённое количество молотого кофе 3 и заливают горячей водой 4. Чтобы как следует смочить частицы молотого кофе его необходимо перемешать с водой. После того как кофе настоится 5 минут, медленно и осторожно опускают поршень вниз с тем, чтобы кофейная гуща оказалась собранной на дне. [Помол – средний]
Такие кофеварки различной ёмкости (0,2…1,0 л) и привлекательной наружности переживают сегодня в России ренессанс. В кофейнях, френч-пресс принято подавать вместе с часами, например песочными.
Рис. 12. Схема френч—пресса: 1 – корпус (материал – стекло); 2 – поршень; 3 — молотый кофе; 4 – вода; 5 – отверстие (отверстия) в поршне; 6 – сетчатое уплотнение поршня; 7 – шток; 8 крышка
Экстрагирование методом настаивания и перемешивания происходит в наиболее простом экстракторе кофе. Это — обычная открытая ёмкость (сосуд, кофейник), в которую помещают молотый кофе и воду. Разогрев кофеварки может быть непосредственным или косвенным. При непосредственном нагреве тепло подводится, как правило, только к днищу ёмкости, например, с помощью конфорки или открытого огня (для маленьких ёмкостей – свеча или таблетка “сухого спирта”).
При косвенном нагреве сосуд размещается в среду промежуточного теплоносителя (рис. 13). Сегодня это специальный “кварцевый” песок, раньше — зола, древесный уголь, обычный очищенный песок. Разогревая теплоноситель, тепло передаётся всей наружной оболочке ёмкости, а затем – воде. При этом конвективные потоки, возникающие в результате разогрева кофейно-водяной смеси, перемешивают её. Подвод тепла косвенным способом считается предпочтительным, так как разогрев воды происходит равномерно по всему объёму.
Рис. 13. Электрическая кофеварка для приготовления кофе “по-восточному” (“по-турецки”): 1 — корпус; 2 – промежуточный теплоноситель (песок); 3 – турка; 4 – терморегулятор; 5 – конфорка (квадратная)
Сосуд для такого приготовления кофе обычно имеет форму усечённого конуса или усечённой с двух сторон сферы и называется в России джезва (от турецк. — сezve) или турка (от русск. – “турка”), реже ибрик (от греч. briki). В других странах сосуд имеет другие названия. Для непосредственного нагрева предпочтительна форма сосуда в виде конуса, а для косвенного – в виде сферы.
Критерием выбора материала для ёмкости является его теплопроводность: чем она выше, тем лучше (серебро, мельхиор (Cu-Ni), нейзильбер (Cu-Ni-Zn) лужёная медь и её сплавы (латунь, бронза), алюминий). С этой точки зрения менее предпочтительными являются жаропрочные стекло и керамика, металлы, покрытые эмалью. [Помол — порошкообразный]
Современные зарубежные ностальжи-аппараты “кофе на песке” (аналог кофеварки для кофе “по-восточному”, рис. 11) имеют круглую конфорку диаметром 200 или 245 мм, нагреваемую до 300°С. Мощность – 1,0 или 1,1 кВт. Цена у отечественного поставщика — €260…396 (февраль, 2004 г).
Сущность процесса перколяции применительно к кофе заключается в том, что экстрагирование происходит преимущественно во время пропускания через слой кофе воды, близкой по температуре к кипятку. Извлечение из кофе вкусовых и ароматических веществ при перколяции осуществляется в проходящем потоке воды (диффузионный аппарат непрерывного действия), а не путём настаивания в постоянном объёме (рис. 12) и относительно малоподвижной среде (рис. 12, 13). Этот метод, при прочих равных условиях, следует признать более эффективным. Дело в том, что коэффициент массопередачи при вынужденной конвекции (перколяции) обычно выше, чем коэффициент массопередачи при естественной конвекции (настаивании).
Первой широко распространённой кофеваркой приведённой в литературе, в которой используется метод перколяции для экстрагирования, является изобретение парижского архиепископа Жан-Батиста Белуа. Кофеварка (рис. 14,а) состоит из двух сосудов 1 и 2, между которыми размещается молотый кофе в чаше-фильтре 3. В сосуд 2 заливается кипяток 4. Когда весь кипяток перейдёт в сосуд 1 через чашу-фильтр 3, верхний сосуд 2 снимается, чаша-фильтр вынимается и — кофе готов.
В 1819 году французский жестянщик Мориз модифицировал кофеварку Белуа – он изготовил “переворачивающуюся двойную” кофеварку (наполетана (от итал. napoletana), неаполитанская машина, мачинетта (от итал. macchinetta)). Она представляет собой соединение двух одинаковых сосудов (рис. 14,б,в), с той лишь разницей, что в одном из них есть носик, а в другом его нет, как нет и крышки.
Рис. 14. Кофеварки перколяционные: а – кофеварка Белуа; б, в – кофеварка Мориза; 1, 2 – сосуды; 3 – молотый кофе в чаше-фильтре; 4 – вода; 5 – ручка; 6 – крышка
В сосуд 2 (без носика) заливают холодную воду 4 (рис.14,б), размещают чашу-фильтр 3 с молотым кофе и закрывают сосудом 1 с носиком, причём дном вверх, а носиком вниз. Затем собранная и заправленная таким образом кофеварка размещается на огне.
Когда вода в сосуде 2 закипит, её снимают с огня и переворачивают (рис. 14,в). В дальнейшем сам процесс заваривания точно такой же, как в кофеварке Белуа.
Кофеварка Мориза весьма популярна в “кофепьющих” странах, и это не удивительно: её корпус и сам кофе в чаше-фильтре хорошо прогреваются, кофе к тому же, во время подогрева воды, частично увлажняется. Таким образом, к моменту переворачивания, создаются идеальные температурные условия для процесса приготовления кофе, а за счёт теплоёмкости корпуса, эти условия длительное время поддерживаются.
В конструкции следующего типа кофеварок, использующих метод перколяции, нашли применение трубы, которые в различных источниках называются по-разному – фонтанирующая труба, труба-гейзер, переливная труба, перекидная труба, труба-газ(эр)лифт, циркуляционная труба, циркуляционно-перекидная и т.д. Для рассмотрения принципа их действия, обратимся к схеме, представленной на рисунке 15. При этом будем пользоваться терминологией, принятой на сегодняшний день.
Одним из факторов, необходимым для приготовления кофе является то, что вода должна иметь температуру близкую к кипятку. Такую температуру (но не более 100°С) наиболее просто можно получить при использовании перекидной трубы, которая присутствует в современных кипятильниках. Иногда эту трубу называют переливной, но авторитетные специалисты считают, что термин “перекидная” более точно характеризует её функциональное назначение.
Конструкция кофеварки с перекидной трубой состоит из ёмкости 1 с крышкой 2, на которой закреплён отражатель 3 (рис. 15). В ёмкости 1 размещена труба 4, в верхней части которой установлена чаша-фильтр 5. Под ёмкостью располагается нагревательный элемент 6, например, ТЭН.
Рис. 15. Схема перколяционных кофеварок с электрическим нагревательным элементом: а – с перекидной трубой (однократная перколяция); б — с циркуляционно-перекидной трубой (многократная перколяция) и колпаком: 1 – ёмкость (сосуд); 2 – крышка; 3 – отражатель; 4 — труба; 5 – чаша-фильтр; 6 – нагреватель; 7 – вода; 8 – пароводяная смесь; 9 — выходной патрубок; 10 — разборный патрубок; 11 – колпак; 12 – отверстие (отверстия) в колпаке
При заполнении сосуда 1 холодной водой 7 и включении нагревателя 6, в пространстве нагрева (нижняя часть ёмкости 1) с течением времени образуется горячая пароводяная смесь 8. Вследствие того, что плотность этой смеси меньше плотности воды 7, то она поднимается по трубе 4 вверх. При “правильных” размерах трубы 4 (длина, диаметр), из верхней части трубы будет выбрасываться кипяток. От отражателя 3 он попадёт на чашу-фильтр 5 (со слоем молотого кофе). Просачиваясь (перколируя) сквозь кофе горячая вода экстрагирует из него вкусовые и ароматические вещества.
Далее возможны два варианта: перколяция может быть однократной (рис. 15,а) и многократной (рис. 15, б).
В первом варианте (рис. 15,а) вода, прошедшая слой кофе, поступает в патрубок 5 – продукт готов. В этом случае труба 1 называется перекидной.
Во втором случае (рис. 15,б) вода поступает вниз (по стрелкам) в ёмкость 1. Затем вновь, нагреваясь в пространстве нагрева и проходя через слой кофе, вода экстрагирует из него вкусовые и ароматические вещества. Процесс (многократная перколяция) длится до тех пор, пока будет проходит циркуляция, т.е. не будет отключён нагреватель 6. Отбор готового продукта производится, например, через разборный патрубок 10. В этом случае труба 4 называется циркуляционно-перекидной. Другие термины, относящиеся к трубе, являются весьма некорректными.
Для повышения эффективности сбора пароводяной смеси, которая образуется в результате нагрева, используется пароулавливающий колпак 11 (рис. 15,б) с отверстиями 12. Отверстия нужны для того, чтобы вода 7 имела возможность поступать под колпак.
Перекидная труба может устанавливаться как внутри “кофеварочной” ёмкости (рис. 15, 19), так и вне, например, как у кофеварки “Бонамат” с однократной перколяцией (рис. 16), которая известна под названием капельная.
Рис. 16. Схема работы капельной кофеварки “Бонамат”: А – с плоской чашей-фильтром; Б – с конической чашей-фильтром; 1 – напорный бачок; 2 – перекидная труба с нагревателем; 3 – дозатор кипятка; 4 – водоразбивающая сетка (ороситель); 5 – чаша-фильтр с молотым кофе; 6 – сборник готового кофе; 7 – разборный кран
Поверхность кофе орошается кипятком с помощью водоразбивающей сетки (оросителя) 4 , перколирует через его слой и экстрагирует вкусовые и ароматические вещества. Дозирование кипятка происходит в зависимости от заданной программы на количество чашек кофе дозатором 3. [Помол – тонкий]
Одним из первых описанных устройством, в котором используется метод однократной перколяции, является кофеварка, изобретённая шотландским морским инженером Робертом Напьером в 1840 году, получившая название вакуумной.
Вакуумная кофеварка (рис. 17) состоит из двух, расположенных один над другим, сосудов 1 и 2, соединённых между собой перекидной трубой 3, внутри которой расположен фильтр 4. В верхний сосуд 2 помещают молотый кофе 5, в нижний 2 заливают холодную воду 6 (рис. 17,а). Затем кофеварку устанавливают на “огонь” (для маленьких объёмов – свеча или таблетка “сухого спирта”). В результате образуется парожидкостная смесь. Вследствие того, что плотность парожидкостной смеси меньше, она поднимается по перекидной трубе 3, проходит через слой молотого кофе 5 и остаётся в ёмкости 2 (рис. 17,б).
Рис. 17. Вакуумная кофеварка Напьера: а – начало процесса; б – промежуточная стадия; в – завершение процесса; 1 – нижний сосуд; 2 – верхний сосуд; 3 – перекидная труба; 4 – фильтр; 5 – слой молотого кофе; 6 – вода
Когда вся вода из нижнего сосуда перейдёт в верхний сосуд, кофеварку снимают с огня и дают возможность охладиться. По мере охлаждения пустого нижнего сосуда в нём образуется вакуум, благодаря этому готовый кофе через фильтр 4 поступает в ёмкость 1 (рис. 17,в).
Таким образом, в вакуумной кофеварке происходит однократная перколяция с настаиванием. Считается, что этот метод даёт хороший кофе. К его недостаткам относят длительность процесса и трудности, возникающие при мытье кофеварки. В наши дни такие кофеварки пользуются популярностью у любителей “алхимической” экзотики и стоят $35…250 (в зависимости от объёма и исполнения). [Помол – тонкий]
Однократная перколяция реализована в “гейзерной” кофеварке, представленной на рисунке 16, при конструктивном решении очень похожем на вакуумную кофеварку.
“Гейзерная” (фонтанирующая, мока) кофеварка, предложенная в 1933 году предпринимателем Биалетти (Bialetti), состоит из двух сосудов — нижнего 1 и верхнего 2. В нижнем сосуде расположена нижняя часть 3 перекидной трубы, которая вверху ограничена чашей-фильтром 6 для молотого кофе с фильтрами 7 и 8 . В верхней части кофеварки находится верхняя часть 4 перекидной трубы, причём она может находиться как внутри ёмкости 2 (рис. 18, а), так и снаружи (рис. 18, б). Для дополнительной очистки готового кофе предусмотрен фильтр 9.
В нижний сосуд 1 наливается холодная вода до уровня ниже предохранительного клапана, в чашу 6 насыпается молотый кофе (рис.18,а-S), и кофеварка устанавливается на огонь. Когда вода в нижнем сосуде закипит, она поднимается по “нижней” перекидной трубе 3, проходит через слой кофе в чаше 6, перколирует его, попадает в “верхнюю” перекидную трубу 4, ударяется об отражатель 5 и поступает в нижнюю часть сосуда 2. Так будет продолжаться до тех пор, пока почти вся вода из сосуда 1 не пройдёт через кофе в сосуд 2. В результате, в нижней части сосуда 2 будет находиться готовый кофе 13 (рис. 18,а-F).
Рис. 18. “Гейзерная” кофеварка с однократной перколяцией и принцип её действия: а – с несъёмным верхним сосудом; S – начало процесса; F – завершение процесса; б – со съёмным верхним сосудом (кофейник или чашка); 1 – нижний сосуд; 2 – верхний сосуд; 3 – нижняя часть перекидной трубы; 4 – верхняя часть перекидной трубы; 5 — отражатель; 6 — чаша-фильтр для молотого кофе; 7, 8, 9 – фильтры; 10 – ручка; 11 – предохранительный клапан; 12 – крышка; 13 – готовый кофе
Кофеварка с многократной перколяцией (циркуляционная) была изобретена в 1827 году парижским ювелиром Жаком-Августином Ганде. В его кофеварке вода поднималась по циркуляционно-перекидной трубе, размещённой в ручке кофейника-кофеварки. Вскоре другой французский изобретатель, Николя Феликс Дюран, предложил размещать циркуляционно-перекидную трубу, уже с пароулавливающим колпаком, по центру кофеварки.
Этот принцип реализован в кофеварке КВЭ-7 (рис. 19). Для приготовления кофе в сосуд наливают 7 л воды, закрывают кофеварку крышкой 5 и включают электронагреватель 11 переключателем 10. За 5…6 мин до закипания воды на дно чаши-фильтра засыпают молотый кофе. Вначале закипает вода под пароулавливающим колпаком 9. Пузырьки пара, устремляясь вверх по трубе 8, увлекают за собой кипящую воду. Поднимаясь вверх, вода ударяется об отражатель, разбрызгивается на порошок кофе, экстрагирует из него вкусовые и ароматические вещества и через отверстия, расположенные в дне чаши 7, фильтруется и стекает в нижнюю часть сосуда 16. Затем, через отверстия 15, кофе, прошедший круг перколяции, вновь поступает под колпак 9, нагревается электронагревателем 11, поднимается по трубе 8 и цикл повторяется. Постепенно вся вода достигает рационального насыщения. (Степень насыщения определяет “буфетчица”). [Помол – тонкий]
Рис. 19. Кофеварка электрическая КВЭ-7: h – высота слоя молотого кофе; 1 — разборный кран; 2 — кожух; 3 — терморегулятор; 4 – корпус сосуда; 5 — крышка; 6 — отражатель; 7 – чаша-фильтр с молотым кофе; 8 – циркуляционно-перекидная труба; 9 – пароулавливающий колпак; 10 — переключатель; 11 – электронагреватель; 12 – столик для чашек; 13 – электронагреватель столика; 14 – лампа сигнальная; 15 – отверстие (отверстия); 16 – сосуд
Возможны два варианта по количеству воды, заливаемой в кофеварку.
В инструкции по эксплуатации кофеварки КВЭ-7 указано, что вода должна на 2/3 закрывать слой кофе h (уровень А, рис. 19). Однако, по мнению некоторых специалистов, вода не должна доходить до чаши-фильтра 7 (уровень Б), так как в режиме многократной перколяции настаивание не улучшает вкус кофе.
С точки зрения “буфетчицы”, вариант А является экономически более выгодным, т.к. степень черноты кофе и его “наваристость” будет запредельной (получение кофе будет происходить преимущественно в режиме настаивания и в меньшей степени в режиме перколяции). В варианте Б — “лидерство” за перколяцией, экстракция будет происходить более интенсивно (повышена скорость внешней диффузии).
Если обратить внимание на направление движения потока нагретой воды через слой кофе при перколяции, то можно заметить, что движение может быть “сверху вниз” (рис. 14, 16, 17, 19) и “снизу вверх” (рис. 18). Какое из них предпочтительней?
Обычно молотый кофе засыпается в кофеварку или в чашу-фильтр “навалом”. Подразумевается, что в дальнейшем вода распределит его равномерно по всему объёму. Однако молотый кофе, являясь “пушистой” субстанцией (см. рис. 25,а), не всегда распределяется равномерно. При движении воды “сверху вниз” слой кофе смачивается и уплотняется неравномерно, поток воды, находясь в свободном падении, испытывает разное сопротивление и идёт, естественно, по пути наименьшего сопротивления. Это означает, что некоторые зоны в чаше-фильтре экстрагируются не достаточно эффективно.
При движении воды “снизу вверх” смачивание молотого кофе происходит более равномерно, т.к. смачиваться все частицы молотого кофе, происходит принудительное перераспределение частиц по объёму (дополнительное перемешивание), образуется слой примерно равной толщины.
Таким образом, при приготовлении кофе, движение воды “снизу вверх” (рис. 18), следует признать более эффективным.