Mục lục
1. GIỚI THIỆU
Nước đã nhận được sự quan tâm mới trong vài thập kỷ qua liên quan đến nhiều điểm trong chuỗi giá trị cà phê. Các lĩnh vực cần chú ý không chỉ bao gồm các phương pháp canh tác và chế biến (Chương 3 và 4), mà còn cả việc chiết xuất có thể ảnh hưởng như thế nào đến đặc tính cảm quan của cà phê trong cốc. Mọi thợ pha cà phê đều biết rằng việc lựa chọn nước có thể làm nổi bật nét đặc trưng của cà phê hoặc có thể làm cho cà phê bị nhạt và xỉn màu. Trong lịch sử, việc phân tích chất lượng nước chủ yếu tập trung vào các khía cạnh an toàn và kỹ thuật. Điều này cũng được phản ánh bởi thực tế là việc phân loại phổ biến nhất đối với nước dựa trên độ cứng, thước đo mức độ hình thành cặn tối đa trong nồi hơi hoặc ấm đun nước của máy pha cà phê.
Mục tiêu của chương này là trang bị cho người đọc những hiểu biết cơ bản về ảnh hưởng của nước đối với cà phê và cách thay đổi thành phần của nước để thay đổi độ cứng và độ kiềm tổng của nó. Phần 2 sẽ bắt đầu bằng cách giới thiệu ngắn gọn những kiến thức cơ bản về khoa học về nước, ngoại trừ ở một số dạng cụ thể, chẳng hạn như nước cất hoặc sau khi xử lý bằng thẩm thấu ngược, còn chứa các hợp chất hòa tan, như khoáng chất, khí và phân tử hữu cơ. Sau đó, trong Phần 3, chúng tôi sẽ giải thích các khía cạnh quan trọng nhất của thành phần nước, đặc biệt tập trung vào độ cứng tổng thể và độ kiềm. Cả hai khái niệm này đều là trọng tâm để hiểu được sự tương tác giữa nước và cà phê. Những cân nhắc kỹ thuật phổ biến liên quan đến sự hình thành cặn và ăn mòn, là hậu quả trực tiếp của các khoáng chất hòa tan trong nước, cũng được giải thích. Phần 4 cung cấp cái nhìn tổng quan về tác động của thành phần nước lên các khía cạnh kỹ thuật và cảm quan của quá trình chiết xuất cà phê. Trong phần này, chúng tôi cũng sẽ thảo luận về các khuyến nghị hiện tại về thành phần nước “lý tưởng” và giải quyết các khiếm khuyết về hương vị do thành phần nước không phù hợp gây ra. Vì nước, như chúng ta gặp ở dạng tự nhiên, thường không tương ứng với thành phần mà chúng ta coi là “lý tưởng” để pha chế cà phê, nên trước tiên cần phải điều chỉnh độ cứng và độ kiềm tổng thể trước khi nước được sử dụng để chiết xuất cà phê. Do đó, Phần 5 sẽ xem xét ảnh hưởng của các phương pháp xử lý nước đến độ cứng và độ kiềm tổng bằng cách giới thiệu một phương pháp tiếp cận mới và có hệ thống mà chúng tôi tin rằng đặc biệt hữu ích và phù hợp với cộng đồng cà phê đặc sản. Chúng tôi sẽ kết thúc chương này bằng cách trình bày các ví dụ thực tế về tác động của các thành phần nước khác nhau trong thí nghiệm thử giác và chiết xuất espresso.
Cấu trúc của phân tử nước và sự phân bố điện tích của nó
2. ĐẶC TÍNH LÝ HÓA CỦA NƯỚC
Nước là một phân tử bao gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro (H2O) mang điện tích khác nhau, dẫn đến sự phân bố điện tích không đồng đều (xem Hình 16.1), được gọi là sự phân cực.
Do tính chất phân cực của nó, nước là dung môi rất tốt cho các hợp chất phân cực, như trường hợp trong quá trình chiết xuất cà phê. Ngược lại, nó hầu như không hòa tan bất kỳ hợp chất không phân cực nào như dầu và chất béo, chiếm hơn 10% trọng lượng của cà phê rang. Tuy nhiên, trong điều kiện chiết xuất ở áp suất cao và/hoặc nhiệt độ cao, chẳng hạn như bình pha cà phê espresso và moka, hoặc trong thời gian tiếp xúc lâu, chẳng hạn như máy ép kiểu Pháp, độ hòa tan của các hợp chất không phân cực tăng lên đáng kể (Gloess et al., 2013). Tính phân cực của nước cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng gọi là sự tự phân ly của nước, trong đó một proton được chuyển từ phân tử nước này sang phân tử nước khác. Điều này tự nhiên dẫn chúng ta đến độ pH, được tính bằng logarit âm của nồng độ proton,1 trong đó nồng độ proton càng cao thì độ pH càng thấp. Ví dụ, pH 6 tương ứng với nồng độ proton trong nước là 106 mol/L. Cứ tăng giá trị pH lên một đơn vị (þ1) thì nồng độ proton sẽ giảm đi 10 lần và ngược lại. Độ pH của nước tinh khiết là 7, mặc dù điều này chỉ đúng ở 25C.
2.1 Cacbon Dioxit và Axit cacbonic
Axit là chìa khóa quyết định chất lượng cà phê; các axit cụ thể có thể mang lại cảm giác tươi mát và sống động cho cốc, một đặc điểm của một số nguồn gốc cà phê đặc sản nổi tiếng. Về mặt hóa học, axit là chất có khả năng cho proton. Một loại axit có tầm quan trọng đặc biệt đối với nước và cà phê là axit cacbonic (H2CO3). Nó đóng vai trò trung tâm trong việc tìm hiểu các tính chất khác nhau của nước liên quan đến cà phê. Phần này đặt nền tảng để hiểu các loại cacbonat khác nhau có liên quan với nhau như thế nào; các khía cạnh áp dụng sẽ được khám phá sau trong Phần 3.4, 4 và 6.2.
Nước hòa tan carbon dioxide (CO2) từ không khí một cách tự nhiên và cà phê rang cung cấp một nguồn CO2 quan trọng khác. Trong quá trình rang, CO2 được tạo ra (có tới 2% trọng lượng cà phê mới rang bị giữ lại là CO2), sau đó được giải phóng trong quá trình chiết xuất. Carbon dioxide hòa tan trong nước tạo thành axit cacbonic (H2CO3), một axit yếu phân ly thành hydro cacbonat HCO3 cộng với một proton (Hþ). Proton được giải phóng vào nước làm cho nước có tính axit cao hơn và độ pH giảm xuống. Ở nồng độ CO2 tự nhiên trong không khí, nước cân bằng với không khí có tính axit nhẹ với độ pH là 5,7.
Hydro cacbonat HCO3 vẫn có proton thứ hai mà nó có thể giải phóng; tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra ở giá trị pH trên 8,3, tạo ra ion cacbonat CO3 2 tích điện kép. phương trình. (16.1) tóm tắt chuỗi phản ứng hóa học kéo dài từ carbon dioxide hòa tan trong nước (trái) đến ion cacbonat giải phóng hai proton (phải):
Chuỗi phản ứng hóa học kéo dài từ Cacbon Dioxit và Axit cacbonic
3. THÀNH PHẦN NƯỚC
Trong thực tế, nước máy từ hồ hoặc tái thẩm thấu từ sông có hàm lượng khoáng chất trung bình thấp hơn đáng kể so với nước ngầm có thời gian lưu trú điển hình theo thứ tự từ tháng đến năm. Hơn nữa, những khu vực có đá gốc cacbonat có hàm lượng khoáng chất cao hơn những khu vực có đá silicat. Ví dụ, ở Thụy Sĩ, hàm lượng khoáng chất trong nước ngầm ở Cao nguyên Trung tâm (trầm tích mịn giàu cacbonat) cao hơn khoảng năm lần so với ở miền trung và miền nam dãy Alps (đá kết tinh hòa tan chậm hơn và chứa ít cacbonat).
3.1 Độ kiềm
Bây giờ chúng ta đã giới thiệu một số tính chất cơ bản của nước, chúng ta có thể giải quyết hai khái niệm trọng tâm liên kết nước với cà phê sẽ định hướng độ kiềm và độ cứng tổng thể mà chúng ta đã thảo luận. Độ kiềm thể hiện khả năng đệm axit của nước. Lượng axit phải được thêm vào mẫu nước, hoặc thậm chí vào cà phê pha, cho đến khi đạt được độ pH cụ thể là thước đo độ kiềm của nó. Ví dụ, nếu một axit được thêm vào cà phê pha, độ pH của nó sẽ giảm. Càng thêm nhiều axit để đạt được độ pH cụ thể thì độ kiềm càng cao. Không nên nhầm lẫn độ kiềm với dung dịch có độ pH kiềm, điều này đơn giản có nghĩa là độ pH của nó cao hơn 7 (ở 25C). Do đó, độ kiềm phản ánh khả năng của nước hoặc cà phê chống lại sự thay đổi độ pH khi thêm axit, bất kể giá trị pH thực tế của nó. Đối với nước ngọt, độ kiềm có thể được tính theo phương trình sau:
Công thức tính độ kiềm
Đối với nước có độ pH dưới 8,3, độ kiềm có thể được tính gần đúng chính xác từ hàm lượng HCO3 [Phương pháp tiêu chuẩn để kiểm tra nước và nước thải (SMWW), 2012]. Điều này là do tất cả các thành phần khác (CO3 2, OH và Hþ) đều có nồng độ thấp hơn nhiều bậc so với HCO3. Trên độ pH 8,3, sự đóng góp đáng kể của ion cacbonat CO3 2 cũng phải được xem xét, mặc dù điều này chỉ xảy ra ở những vùng có nước rất cứng (có độ kiềm trên 370 ppm CaCO3). Mặc dù điều này hiếm gặp nhưng nó xảy ra ở một số vùng có đặc điểm là đá gốc cacbonat chiếm ưu thế. Ví dụ, ở khu vực bang Zurich, ít nhất 10% tổng lượng nước máy có độ kiềm trên 370 ppm CaCO3. Độ kiềm cũng rất quan trọng liên quan đến ảnh hưởng của nó đến các đặc tính cảm quan; nó trái ngược với tính axit trong hóa học cũng như thuật ngữ cảm quan về cà phê (xem Phần 4.2). Ngoài ra, và quan trọng nhất, độ kiềm có thể được đo bằng các bộ dụng cụ kiểm tra có bán trên thị trường. Bộ dụng cụ thử nghiệm đo lượng axit cần thêm vào để đạt độ pH cụ thể (phổ biến nhất là pH 4,5), bằng cách đếm số giọt chuẩn cần thêm vào cho đến khi màu của nước thay đổi. Cần lưu ý rằng những bộ dụng cụ kiểm tra này thường được tiếp thị không chính xác là bộ dụng cụ kiểm tra độ cứng cacbonat (xem phần tiếp theo để phân biệt).
3.2 Độ cứng của nước
Trong chương này, thuật ngữ “độ cứng” sẽ được sử dụng để biểu thị “độ cứng tổng thể”, được định nghĩa theo các tiêu chuẩn công nghiệp trên toàn thế giới (SMWW; DIN 38409-6, 1986; ASTM D-1126, 2002; Phương pháp EPA, 130.2, 1982 ) là tổng lượng hoặc nồng độ tương đương của canxi và magie (xem Phần 3.3 để tính toán). Ngược lại, “độ cứng cacbonat” được xác định bằng lượng cặn tối đa có thể hình thành đối với một thành phần nước nhất định và được xác định bằng mức tối thiểu chung của tổng độ cứng và độ kiềm, tùy theo mức nào thấp hơn. Trong quá trình hình thành cặn, cả độ cứng tổng và độ kiềm đều giảm với lượng bằng nhau. Hầu hết các nguồn nước tự nhiên đều có độ cứng tổng cộng cao hơn độ kiềm của chúng, như được mô tả trong Hình 16.2A trong đó độ cứng cacbonat bằng độ kiềm. Tuy nhiên, nước được xử lý bằng chất làm mềm loại bỏ canxi hoặc magie và thay thế chúng bằng natri hoặc kali (xem Hình 16.2B) có độ cứng tổng giảm mà không ảnh hưởng đến độ kiềm. Trong trường hợp này, độ cứng tổng thấp hơn độ cứng kiềm và độ cứng cacbonat bằng độ cứng tổng.
Các thuật ngữ được sử dụng liên quan đến độ cứng và độ kiềm cho hai thành phần mẫu nước có kích thước tỷ lệ thuận với nồng độ tương đương: (A) độ cứng tổng > độ kiềm; (B) độ cứng tổng cộng < độ kiềm
3.3 Đơn vị độ cứng
Khi tính độ cứng của nước, điều quan trọng là phải phân biệt giữa nồng độ lượng, chẳng hạn như mol/L (trong đó 1 mol có thể được hiểu là “tá phân hóa học” bằng 6,4 1023 nguyên tử, ion hoặc phân tử) và nồng độ khối lượng ( ví dụ: mg/L trên nước đóng chai). Mặc dù nồng độ lượng đề cập đến số lượng thực thể trong một thể tích nước nhất định, nhưng nồng độ khối lượng đề cập đến trọng lượng của các hợp chất trong cùng một thể tích nước. Nồng độ khối lượng không phản ánh tỷ lệ thực sự của các chất khác nhau và do đó không phù hợp để so sánh lượng hợp chất khác nhau trong mẫu nước. Điều này có thể được minh họa tốt nhất bằng một ví dụ đơn giản: Khi xem xét các hợp chất góp phần tạo nên độ cứng tổng cộng của nước, 1 mmol/L Ca2þ bằng 40 mg/L trong khi 1 mmol/L Mg2þ bằng 24,3 mg/L . Đối với độ kiềm của nước, 1 mmol/L HCO3 bằng 61 mg/L. Trong cả ba trường hợp, nồng độ lượng và do đó số lượng hợp chất đều bằng nhau (cụ thể là 1 mmol/L), trong khi nồng độ khối lượng rõ ràng là khác nhau, vì tất cả các hợp chất đều có trọng lượng khác nhau.
Từ quan điểm của nhà hóa học, nên sử dụng lượng nồng độ như mol/L vì các giá trị tỷ lệ thuận với số lượng nguyên tử, ion hoặc phân tử thực tế trong một thể tích nước cụ thể.
Điều quan trọng cần lưu ý là, trong toàn ngành, các giá trị độ cứng được đề cập đến bằng đơn vị tương đương, chẳng hạn như ppm CaCO3 (Mỹ) hoặc độ Đức (d). So với các đơn vị tương đương về lượng (chẳng hạn như mol/L), nồng độ mol của Ca2þ, Mg2þ và HCO3 sẽ tăng một cách hiệu quả khi chúng phản ứng với nhau. Do đó, nồng độ tương đương của canxi và hydro cacbonat luôn giảm cùng một lượng khi cặn hình thành hoặc trong các phương pháp xử lý nước cụ thể (xem Hình 16.5).
Bảng 16.1 cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ số chuyển đổi của các đơn vị được sử dụng phổ biến nhất trong phân tích nước; các giá trị đã được tính toán dựa trên Bảng tuần hoàn các nguyên tố của IUPAC (2013) và cũng phù hợp với Hem (1985) và định mức DIN về độ cứng của nước (1986).
Xin lưu ý rằng đơn vị tiêu chuẩn được Hiệp hội Cà phê Đặc sản Hoa Kỳ (SCAA) “ppm CaCO3” (hoặc cách khác là “mg/L CaCO3”) sử dụng thường bị viết tắt gây nhầm lẫn là ppm hoặc mg/L cho cả độ cứng tổng và độ kiềm (xem Phần 4.3 về tiêu chuẩn nước), vì nồng độ khối lượng “thẳng” (như được dán nhãn trên chai nước) không tương ứng với tỷ lệ thực tế của canxi, magie và hydro cacbonat.
3.4 Sự hình thành cặn và ăn mòn
Nồi hơi nước trong gia đình và thiết bị công nghiệp có thể bị đóng cặn cặn có thành phần chủ yếu là canxi cacbonat (CaCO3) và ở độ pH cao (>10) cũng có chứa magie hydroxit (Mg(OH)2). Điều thứ hai xảy ra trong nồi hơi, đặc biệt là với nước được làm mềm bằng natri. Tốc độ của quá trình này được xác định bởi độ hòa tan của canxi cacbonat trong điều kiện nhiệt độ và pH nhất định. Mối quan tâm kỹ thuật chính về sự hình thành cặn khi sử dụng nước cứng là sự giảm hiệu quả của hệ thống sưởi ấm (khi lớp cặn đóng vai trò như chất cách điện) và tắc nghẽn các van và bộ hạn chế dòng chảy (thường được gọi là gicleurs trong máy pha cà phê). Mặt khác, nước có độ kiềm rất thấp và có thể dễ dàng trở thành axit (do không đủ chất đệm axit), có thể gây ra sự ăn mòn các bộ phận kim loại. Để tăng tuổi thọ và do đó giảm chi phí bảo trì cho máy pha cà phê, một số quốc gia đã đưa ra khuyến nghị nhằm giảm thiểu chi phí hình thành cặn (giá trị độ cứng và độ kiềm cao) và ăn mòn (nói chung là hàm lượng khoáng chất thấp và độ kiềm thấp nói riêng). Ở Thụy Sĩ, chỉ có khuyến nghị liên quan đến độ cứng quy định độ cứng tối ưu là 12e15fH (SVGW, 2008). Ở các quốc gia khác, phạm vi tối ưu cho độ kiềm được cung cấp thường là từ 5 đến 6fH (Navarini và Rivetti, 2010). Là một biện pháp bổ sung, các công ty máy pha cà phê khuyên bạn nên tẩy cặn thường xuyên bằng cách sử dụng axit hòa tan trong nước (tốt nhất là loại có ít mùi vị) và cũng đưa ra các giải pháp thương mại.
4. TÁC ĐỘNG CỦA THÀNH PHẦN NƯỚC ĐẾN KHAI THÁC
Nước không có khoáng chất nào khác ngoài canxi hoặc magie cacbonat (CaCO3, MgCO3) chứa lượng độ cứng và độ kiềm bằng nhau (tính theo đơn vị độ cứng tương đương). Độ cứng tổng cộng cao hơn nhiều so với độ kiềm cho thấy có một lượng đáng kể sunfat có trong nước.
Các hệ số chuyển đổi cho các đơn vị độ cứng và độ kiềm được làm tròn đến bốn chữ số có nghĩa được in đậm là các hệ số chuyển đổi được sử dụng phổ biến nhất
Nước và các khoáng chất của nó được cho là thành phần quan trọng nhất tạo nên chất lượng của đồ uống cà phê sau cà phê rang và xay (Navarini và Rivetti, 2010). Do khả năng co giãn, nước thường được xử lý để giảm độ cứng nhằm tránh sự kết tủa của các khoáng chất. Một yếu tố nữa cũng quan trọng không kém thành phần nước xét về tác động của nó đối với quá trình chiết xuất là tỷ lệ khối lượng của nước so với cà phê rang và xay, vì tỷ lệ này có thể khác nhau tới 10 lần đối với các phương pháp chiết xuất khác nhau. Một ví dụ điển hình là cà phê espresso, có thể được pha với tỷ lệ khối lượng cà phê khô và nước giải khát là 1:2 (16 g cà phê để pha thành hai cốc, mỗi cốc chứa một loại đồ uống từ 16 g trở xuống). Mặt khác, tỷ lệ điển hình cho cà phê nhỏ giọt là 1:15 (tức là 60 g cà phê trên 1000 g nước sẽ tạo ra khoảng 880 g cà phê phin). Do đó, mức độ tác dụng đệm axit của độ kiềm (của nước dùng để pha cà phê) trong cà phê espresso thấp hơn nhiều so với cà phê phin, xem Phần 4.1. Áp suất chiết cũng phải được xem xét khi đánh giá quá trình chiết cà phê bằng nước, vì độ hòa tan của carbon dioxide tăng mạnh theo áp suất (Sanche’z et al., 2016). Có bằng chứng ngày càng rõ ràng (Hendon và cộng sự, 2014) rằng canxi và magie là những nhân tố chính góp phần tạo nên hiệu quả chiết xuất cà phê. Hơn nữa, người ta cho rằng magiê (theo độ cứng tương đương hoặc mol) hiệu quả hơn trong việc chiết xuất các thành phần từ cà phê (Hendon và cộng sự, 2014). Mặc dù nghiên cứu về tác động của thành phần nước đối với cà phê phin đã có từ năm 1950, nhưng cà phê espresso mới chỉ được nghiên cứu trong 20 năm qua. Trong các nghiên cứu được trình bày dưới đây, ba tình huống khác nhau được mô tả:
- Ở độ kiềm cao (>100 ppm), nhiều axit chiết xuất từ cà phê được trung hòa bằng hydro cacbonat, do đó tạo ra axit cacbonic có thể khử khí thành carbon dioxide, tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Việc tạo ra carbon dioxide trong quá trình chiết xuất tạo ra lực cản bổ sung và do đó kéo dài thời gian chiết xuất trong những điều kiện bình đẳng (Fond, 1995; Rivetti và cộng sự, 2001). Xem Phần 6.2 để biết ví dụ ứng dụng về chiết xuất cà phê espresso bằng nước được xử lý bằng bộ trao đổi ion làm thay đổi độ cứng hoặc độ kiềm tổng.
- Độ kiềm cao và độ cứng thấp đồng thời dẫn đến độ pH tăng lên khi nước được đun nóng. Hiệu ứng này thậm chí còn rõ rệt hơn khi có natri. Nó được cho là nguyên nhân làm tăng sức đề kháng trong quá trình chiết xuất do khả năng hòa tan carbohydrate trong nước ở độ pH cao giảm (Navarini và Rivetti, 2010).
- Ở độ cứng cao và độ kiềm cao (hoặc thấp hơn) tương đương, thời gian thẩm thấu không tăng (Fond, 1995; Rivetti và cộng sự, 2001).
4.1 Đệm độ chua của cà phê
Nhận thức về độ axit trong cà phê đã được nghiên cứu rộng rãi (để biết tổng quan, hãy xem Gloess và cộng sự, 2013). Hiện tượng được trích dẫn phổ biến nhất là mối tương quan giữa cảm nhận về độ axit với độ axit có thể chuẩn độ được của chiết xuất cà phê (chuẩn độ đến độ pH 6,6, tương ứng với độ pH trong miệng). Từ quan điểm hóa học, điều này cũng có ý nghĩa như Clifford (1988) đã nêu: “Trên thực tế, phản ứng của axit với thụ thể là một phép chuẩn độ, và do đó rất giống với quá trình được sử dụng để đo độ axit có thể chuẩn độ được”. Do tính kiềm của nước phản ứng với các axit chiết xuất từ cà phê nên nó trung hòa một phần axit một cách hiệu quả. Dựa trên dữ liệu từ Gloess et al. (2013) nước có thể lên tới 30% hoặc 11% độ axit có thể chuẩn độ được đo trong quá trình chiết xuất cà phê espresso qua bộ lọc hoặc lungo (Gloess et al., 2013; phép đo và tính toán của tác giả). Tỷ lệ phần trăm này được đo đối với nước có độ kiềm 50 ppm CaCO3 (1 mmol/L) được sử dụng để chiết xuất đồ uống từ cà phê rang vừa đến đậm (Guatemala, Antigua, la Ceiba, 80 Pt trên Colorette 3b, w45 Pt trên Thang đo Agtron M-Basic). Theo đề xuất của Clifford, một phương trình đơn giản có thể được xây dựng cho độ axit cảm nhận được, trong đó độ axit cảm nhận được của cà phê bằng độ axit chiết xuất từ cà phê giảm đi độ kiềm của nước.
4.2 Thành phần nước lý tưởng để chiết xuất cà phê
Tiêu chuẩn phổ biến nhất trong ngành cà phê liên quan đến đặc tính cảm quan là “Tiêu chuẩn SCAA: Nước để pha cà phê đặc sản” (2009). Nó xác định quá trình chiết xuất tối ưu ở độ cứng tổng cộng là 68 ppm CaCO3 (với phạm vi chấp nhận được là 17-85 ppm CaCO3), độ kiềm là 40 ppm CaCO3 và pH 7 (phạm vi chấp nhận được là pH 6,5-7,5). Khu vực này được biểu thị bằng đường màu đỏ trong Hình 16.3, trên đó mức tối ưu được đánh dấu bằng một vòng tròn (độ pH không được xem xét trong biểu đồ). Ngoài ra, nó còn cung cấp giá trị mục tiêu là 10 mg/L cho natri, mặc dù natri chỉ được cảm nhận ở nồng độ trên 250 mg/L (Pohling, 2015). Tuyên bố về “tổng clo”, giá trị phải bằng 0 chỉ đề cập đến khí clo và hypochlorite (OCl), được sử dụng làm chất khử trùng và tạo ra hương vị khó chịu. Mặt khác, ion clorua (Cl) không vị không bị hạn chế. Giá trị tổng chất rắn hòa tan (TDS) tối ưu được nêu là 150 mg/L; tuy nhiên, phương pháp tiêu chuẩn để xác định TDS bằng máy đo độ dẫn điện có độ không đảm bảo khoảng 30%. Độ không đảm bảo đo này chủ yếu là do hệ số chuyển đổi thay đổi để chuyển đổi phép đo hiệu quả độ dẫn điện từ mS/cm sang TDS tính bằng mg/L, tùy thuộc vào thành phần khoáng chất, có thể thay đổi trong khoảng từ 0,5 đến 1,0. Ngoài ra, hầu hết cái gọi là TDSmeter không đo và tính đến nhiệt độ nước, ví dụ, điều này có thể dẫn đến sự thay đổi 20% trong phép đo khi thay đổi nhiệt độ 10C (ví dụ: nhiệt độ vòi đến nhiệt độ phòng). Hơn nữa, vẫn chưa rõ loại anion nào được đề xuất để đạt được tính trung hòa điện tích. Hình 16.3 tóm tắt các thành phần nước được khuyến nghị để chiết xuất cà phê theo SCAA, Colonna-Dashwood và Hendon (2015, tính bằng ppm CaCO3 không chuyển đổi), Rao (2008), Leeb và Rogalla (2006). Hình này cũng chứa các mô tả minh họa sự mất cân bằng hương vị hoặc các nốt khác phát sinh từ các giá trị dưới mức tối ưu cho độ cứng tổng thể (tác động đến hiệu quả chiết xuất) hoặc độ kiềm (tác động đến mức độ đệm của axit cà phê) dựa trên báo cáo từ Rao (2013) và ColonnaDashwood và Hendon (2015). Như đã giải thích ở Phần 3.4, độ lệch so với đường chéo cho thấy sự có mặt của các ion khác ngoài magie, canxi và hydro cacbonat. Đối với nước có độ cứng tổng cộng cao hơn độ kiềm của nó, như trong hầu hết các khuyến nghị, lượng dư thừa này có liên quan đến sự hiện diện của clorua hoặc sunfat.
Thành phần nước được đề xuất
5. XỬ LÝ NƯỚC
Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày một cách mới và thực tế để mô tả các phương pháp xử lý nước về độ cứng và độ kiềm. Nói chung, các phương pháp xử lý nước có thể được phân thành năm loại phổ biến:
- Lọc: Loại bỏ các hạt, vi khuẩn hoặc các hợp chất hữu cơ gây ra mùi vị lạ.
- Bộ trao đổi ion: Trao đổi cation [ví dụ, các ion magie và canxi được trao đổi với các ion hydro (proton) hoặc ion natri] cation kết hợp và các bộ trao đổi anion tạo ra H2O đã khử ion, gần như tinh khiết, sau đó được trộn lại với nước máy để điều chỉnh hàm lượng khoáng chất của nó .
- Thẩm thấu ngược: Loại bỏ không chọn lọc tất cả các chất rắn hòa tan bằng cách lọc qua màng bán thấm, tức là chỉ thấm đối với nước nhưng không thấm đối với các thành phần khác có trong nước.
Các phương pháp khác thậm chí có thể làm sạch nước hơn nữa là chưng cất và kết tủa. Tuy nhiên, những phương pháp này đắt tiền và/hoặc phức tạp và không được sử dụng phổ biến đối với nước pha cà phê.
Đối với việc chiết xuất cà phê, nước uống sạch, không mùi có thể được đặc trưng chính xác bởi độ cứng (là thước đo hiệu quả chiết xuất) và độ kiềm (là thước đo khả năng đệm axit). Hình 16.4 cung cấp cái nhìn tổng quan về những thay đổi về độ cứng và độ kiềm do các phương pháp xử lý phổ biến nhất, sử dụng hai thành phần nước ban đầu khác nhau 1 và 2 :
- a : Chất trao đổi SoftenerdCation: Ca2þ và Mg2þ đối với kali (Kþ) hoặc natri (Naþ) chỉ ảnh hưởng đến độ cứng và do đó được định hướng theo chiều dọc trong Hình 16.4. Độ kiềm không bị ảnh hưởng.
- b : Bộ trao đổi khử cacbon hóa: Ca2þ và Mg2þ cho Hþdđịnh hướng theo đường chéo với độ dốc bằng 1. Hiệu ứng thực là sự thay đổi độ kiềm bằng với sự thay đổi độ cứng. Xem Phần 6.2 để thảo luận về tác động của phương pháp xử lý này đối với việc chiết xuất espresso.
- b* : Sự kết hợp của chất khử cacbon ( b -type) với một phần nhỏ chất làm mềm ( a -type).
- c : Chất khử khoáng: Thẩm thấu ngược (RO) hoặc chất khử ion bằng trao đổi ion loại bỏ các ion bất kể thành phần ban đầu; RO cũng có thể được sử dụng để tăng hàm lượng khoáng chất bằng cách trộn nước đậm đặc với nước chưa được xử lý trước khi màng được định hướng về điểm xuất phát (0/0) hoặc cách xa nó.
- d : Chất khử kiềm: Chất trao đổi anion: HCO3 cho Cl (chưa có sẵn trên thị trường cho các ứng dụng cà phê) hoặc bổ sung axit mạnh (ví dụ: HCl). Điều này sẽ làm giảm độ kiềm mà không ảnh hưởng đến độ cứng tổng của nó. le : không hiển thị: Sự trao đổi cation của Ca2þ với Mg2þd không làm thay đổi độ cứng hoặc độ kiềm, vì vậy cả hai giá trị đều không đổi. Tuy nhiên, thành phần khoáng chất của nước sẽ bị thay đổi.
Những thay đổi về độ cứng và độ kiềm trong năm phương pháp xử lý và hai chế phẩm ban đầu ( 1 và 2 )
6. VÍ DỤ ÁP DỤNG
Trong phần này, chúng ta khám phá cách kết hợp các nội dung của phần trước để nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần nước khác nhau đến quá trình chiết xuất. Điều này liên quan đến việc xác định thành phần nước ban đầu, lựa chọn thành phần nước mục tiêu và phương pháp xử lý nước phù hợp để đạt được sự thay đổi mong muốn về thành phần.
6.1 Cupping Với Các Loại Nước Khác Nhau
Để nghiên cứu tác động của thành phần nước đến đặc tính cảm quan của quá trình chiết xuất cà phê, một thí nghiệm giác hơi đã được tiến hành (Wellinger và Yeretzian, 2015). Thí nghiệm này bao gồm ba thành phần nước khác nhau được điều chế bằng cách sử dụng bộ trao đổi ion loại khử cacbon để làm giảm tổng độ cứng và độ kiềm với lượng bằng nhau. Thành phần nước thu được được thể hiện trong Hình 16.5 và độ kiềm thay đổi 50% so với mục tiêu SCAA là độ kiềm 40 ppm CaCO3. Để tham khảo, các thành phần nước được sử dụng trong Giải vô địch Barista Thế giới (WBC) 2013 ở Melbourne và 2014 ở Rimini cũng được mô tả (dữ liệu từ Colonna-Dashwood và Hendon, 2015). Thí nghiệm đã sử dụng hai loại cà phê sau:
- Colombia, quy trình rửa sạch, Caturra và Castillo, cỡ sàng 15, trang trại La Argelia, vùng Tolima, 1580e1900 m.
- Brazil, quy trình tự nhiên, rượu bourbon vàng, Tupi, Icatu và Yellow catuai, kích thước sàng 16e18, trang trại Lagoa Formosa, vùng Minas Gerais, 1000e1200 m.
Cà phê được chuẩn bị trong một buổi nếm mù theo quy trình thử nếm SCAA với những thay đổi nhỏ về thuộc tính cảm quan: 13,8 g cà phê mới xay được sử dụng với 250 mL nước ở 93C. Hương thơm, tính đồng nhất và điểm cốc sạch không được đánh giá. Độ ngọt được đánh giá theo thang điểm 1e10. Hình 16.6 cho thấy điểm trung bình được tính từ ba lần lặp lại và ba lần vô địch: học sinh lớp Q được chứng nhận hoặc giám khảo WBC. Khi quan sát thấy sự khác biệt đáng kể, điểm cao nhất thuộc về các mẫu cà phê được pha bằng nước có hàm lượng khoáng chất thấp hoặc trung bình. Nhìn chung, người ta quan sát thấy rằng nước có hàm lượng khoáng chất thấp nhất đạt điểm cao nhất đối với hầu hết các thuộc tính ở cả hai loại cà phê. Xét về tổng thể, cà phê Colombia đạt điểm cao hơn cà phê Brazil. Đối với cả hai loại cà phê, người ta quan sát thấy sự khác biệt đáng kể về thuộc tính hương vị và độ axit (¼ 5%), trong đó độ cứng và độ kiềm thấp nhất đạt điểm cao nhất. Độ cứng và độ kiềm tăng dần dẫn đến điểm số thấp dần. Ngoài ra, cà phê Colombia thể hiện sự khác biệt đáng kể về điểm số về sự cân bằng và tổng thể, trong khi điểm số về dư vị lại khác biệt đáng kể đối với cà phê Brazil.
Thành phần nước được sử dụng so với khuyến cáo hiện có và nước thi đấu của WBC.
Kết quả cho thấy ngay cả những thay đổi tương đối nhỏ về độ cứng và độ kiềm cũng ảnh hưởng đáng kể đến thuộc tính cảm quan của cà phê. Mặc dù cần nghiên cứu sâu hơn để làm rõ cơ chế gây ra những thay đổi thuộc tính này, chúng tôi nghi ngờ rằng đây là sự kết hợp của hai tác động: (1) độ cứng tổng thể ảnh hưởng đến hiệu suất chiết và (2) độ kiềm ảnh hưởng đến độ axit cảm nhận được. Tóm lại, kết quả chứng minh rằng mặc dù xu hướng chung có thể được hình thành về mức độ thay đổi cụ thể về độ cứng hoặc độ kiềm tác động đến các thuộc tính cảm quan của đồ uống cà phê, nhưng có sự khác biệt giữa các loại cà phê khác nhau có liên quan chặt chẽ đến hương vị tổng thể của chúng. Thực tế là nước có hàm lượng khoáng chất thấp nhận được điểm cao nhất cho hầu hết các thuộc tính có thể liên quan đến năng suất chiết xuất tương đối cao thường đạt được bằng phương pháp thử nếm (do thời gian tiếp xúc kéo dài so với các phương pháp sản xuất bia khác), điều này cũng dẫn đến ví dụ như nhận thức về cơ thể nặng nề hơn so với cà phê nhỏ giọt. Do đó, kết quả hiển thị ở đây có thể khá khác nếu lặp lại với cùng một loại cà phê nhưng bằng phương pháp chiết xuất khác, chẳng hạn như bộ lọc.
6.2 Khử cacbon trong nước và chiết xuất Espresso
Một vấn đề thường gặp khi sử dụng máy khử cacbon, trao đổi Ca2þ và Mg2þ lấy Hþ, để xử lý nước cứng sử dụng trong máy pha cà phê espresso là sự hình thành axit cacbonic, dẫn đến lượng cacbon dioxit hòa tan dư thừa trong nước. Các proton được giải phóng, để đổi lấy Ca2þ và Mg2þ, trung hòa hydro cacbonat có trong nước tạo thành axit cacbonic, từ đó có thể khử khí thành carbon dioxide, tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Trong quán cà phê, nơi nước từ hộp trao đổi ion được giữ ở áp suất cao cho đến máy pha cà phê espresso, axit carbonic không thể thoát ra ngoài dưới dạng carbon dioxide và do đó có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình chiết xuất. Carbon dioxide trở nên hòa tan hơn khi áp suất tăng và ít hòa tan hơn khi nhiệt độ tăng. Khi nước chứa lượng lớn axit carbonic đi vào buồng chiết (giỏ), nó sẽ tạo ra một lực cản bổ sung (xem Phần 4) theo cách giống hệt với hàm lượng carbon dioxide từ cà phê mới rang và xay. Do đó, khi nước cứng được xử lý bằng chất khử cacbon, có thể thấy tác dụng tương tự trong quá trình chiết xuất espresso như quan sát thấy đối với cà phê mới được rang trước khi chiết xuất (thường là <3 ngày sau khi rang). Cà phê mới rang tạo thành một lượng lớn crema với các bong bóng lớn bất thường, xẹp xuống nhanh hơn nhiều so với những bong bóng hình thành từ cùng một loại cà phê đã được ủ trong thời gian dài hơn. Ví dụ, giảm độ kiềm 200 ppm Độ kiềm CaCO3 sẽ làm tăng lượng carbon dioxide hòa tan lên 176 mg/L. Do đó, nếu chúng ta xem xét ví dụ điển hình về việc chiết xuất một tách espresso đôi bằng cách sử dụng 15 g cà phê Arabica mới xay (2 phút) chỉ 1 giờ sau khi rang bằng cách sử dụng 30 g nước đã khử cacbon, nước sẽ bổ sung thêm 20% lượng cacbon. dioxide đã có sẵn trong bã cà phê. Lượng carbon dioxide dư thừa được tạo ra trong quá trình khử cacbon có thể được loại bỏ bằng một quá trình gọi là khử khí, quy trình này đã được áp dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp khác. Ngoài ra, nước có thể được xử lý bằng chất khử khoáng để loại bỏ tất cả các ion mà không tạo ra thêm carbon dioxide hòa tan.
7. KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG
Với nước sạch không chứa các hạt và mùi vị lạ, mẫu nước có thể được mô tả chính xác để sử dụng trong chiết xuất cà phê bằng cách đo độ cứng và độ kiềm; cả hai đều có thể được đo bằng phép chuẩn độ, hiện có sẵn các bộ dụng cụ thương mại dễ sử dụng. Mặc dù các khuyến nghị của nghiên cứu và ngành về mức độ cứng đề xuất một phạm vi lý tưởng tương đối rộng (có thể là hệ số 5), nhưng sự thay đổi được khuyến nghị đối với độ kiềm nhỏ hơn nhiều (hệ số 2). Như đã giải thích trong Phần 5.3, độ dẫn điện của nước, được đo bằng máy đo độ dẫn điện (đôi khi được gọi không chính xác là TDS-Meter), bản thân nó không phải là một thông số có ý nghĩa, ngoại trừ việc thu được ước tính sơ bộ về tổng hàm lượng chất rắn. Tuy nhiên, đối với bất kỳ nguồn nước nào (ví dụ: nước máy hoặc nước đóng chai) và phương pháp xử lý nước xác định, việc đo độ dẫn điện và điều chỉnh nhiệt độ mang lại cơ hội phát hiện những thay đổi trong thành phần nước đầu ra do thay đổi thành phần nước máy gây ra. hoặc hiệu quả của phương pháp xử lý nước. Vì độ dẫn điện có thể được đo bằng các cảm biến trực tuyến rẻ tiền nên điều này mang đến cơ hội thực hiện giám sát chất lượng nước liên tục theo thời gian thực.
Mục đích của chương này là cung cấp một khuôn khổ khoa học và định lượng để thảo luận về nước, thành phần và tác động của nó từ góc độ của ngành cà phê. Điều này bao gồm mô tả về các phương pháp xử lý nước khác nhau được sử dụng trong ngành cà phê (đặc sản) và chất lượng nước ảnh hưởng như thế nào đến quá trình chiết xuất cũng như các đặc tính cảm quan của cà phê. Trước đây, nước thường được coi là thứ liên quan riêng đến các vấn đề kỹ thuật, chẳng hạn như khoảng thời gian bảo trì và những thứ tương tự, hơn là một thông số liên quan đến quá trình chiết xuất cà phê và chất lượng của tách cà phê. Như được trình bày trong Phần 6.1, tác động cảm quan của các thành phần nước khác nhau cũng phụ thuộc vào loại cà phê cụ thể được sử dụng. Do đó, sự tồn tại của một giá trị tối ưu duy nhất cho tổng độ cứng và độ kiềm có lẽ khó xảy ra nhất, bởi vì mức tối ưu này phụ thuộc vào cà phê (cả chất lượng xanh và quy trình rang được áp dụng), phương pháp chiết xuất và cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng. sở thích của nhóm người tiêu dùng mục tiêu đối với một loại đồ uống cụ thể. Vì nước được coi là thông số quan trọng đối với các đặc tính cảm quan nên điều này cũng có thể ảnh hưởng đến cách rang cà phê. Nhiều nhà rang xay có thể đã chọn kiểu rang dựa trên thành phần nước cụ thể mà họ có, vì sẽ cần nỗ lực bổ sung đáng kể để thử nghiệm từng lần rang với các loại nước khác nhau (Colonna-Dashwood và Hendon, 2015).
Để mở rộng cơ sở dữ liệu và kinh nghiệm của chúng tôi, các lĩnh vực nghiên cứu trong tương lai nên bao gồm các nghiên cứu ứng dụng về tác động của thành phần nước đến hiệu quả chiết xuất và tác động cảm quan đối với cà phê espresso. Vì tỷ lệ nước và cà phê dành cho cà phê espresso và cà phê phin rất khác nhau nên tổng độ cứng và độ kiềm cao hơn nhiều (cả trên 100 ppm CaCO3) vẫn có thể tạo ra đồ uống espresso chất lượng cao. Tuy nhiên, việc sử dụng loại nước này sẽ dẫn đến hình thành cặn và do đó không được khuyến khích sử dụng lâu dài hoặc lâu dài. Hơn nữa, tác động của thành phần nước đến tốc độ dòng chảy và do đó thời gian tiếp xúc cũng phải được xem xét khi thiết kế các thí nghiệm tiếp theo để xác định ảnh hưởng của thành phần nước lên cốc thu được. Như đã được chứng minh bằng các thí nghiệm ở Phần 6.1, không phải mọi loại cà phê đều bị ảnh hưởng giống nhau bởi sự thay đổi cụ thể trong thành phần nước. Ngoài ra, tác động của độ pH hoặc các chất cụ thể có trong nước lên khả năng liên kết mùi thơm hoặc độ bay hơi là một lĩnh vực chưa được khám phá trong cà phê. Do đó, các nghiên cứu sâu hơn về tác động của các thông số khác nhau, chẳng hạn như độ cứng và độ kiềm tổng, đối với các loại cà phê khác nhau và các thuộc tính cảm quan của chúng là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn và quan trọng. Sự khác biệt thường được đề xuất giữa canxi và magiê cũng cần được nghiên cứu thêm. Người ta cho rằng tác động của nồng độ giống nhau của mỗi loại lên đặc điểm cảm quan là khác nhau. Trong trường hợp có sự khác biệt đáng kể, chúng tôi khuyên bạn nên đánh giá lại tiêu chuẩn hiện hành về độ cứng tổng cộng dưới dạng tổng canxi và magie theo tiêu chuẩn mới trong đó hàm lượng canxi và magie được đo và xem xét riêng lẻ để đạt được kết quả tối ưu trong cốc.
