Quasi un miliardo di kWh di energia viene consumata annualmente dall'industria alimentare in Germania per essiccare e tostare i chicchi di caffè, le noci e la frutta. Trovare la temperatura ed il tempo di processo ottimale è la chiave per il potenziale massimo risparmio energetico.
Misurazione Innovativa del Calore Specifico
L'Istituto Nazionale di Metrologia Tedesco (PTB), utilizzando un compatto sensore di temperatura della HBM, ha ora sviluppato un nuovo processo per misurare la conduttività termica e la diffusibilità termica di piccoli oggetti quali i chicchi di caffè. Finora, la capacità termica dei chicchi di caffè poteva essere determinata solo usando caffè macinato e pressato.
Invece, le proprietà di trasporto termico sono dipendenti dalla struttura e si possono perciò misurare con sufficiente accuratezza solo usando chicchi di caffè non macinato. Il sensore di temperatura TT-3/100 della HBM ha spessore di solo 50 µm e superficie di misura di 3,1 mm x 3,0 mm.
Metodo di Misura del PTB
Grazie alle dimensioni miniaturizzate del TT-3/100, il PTB fu in grado di sviluppare un innovativo metodo di misura per determinare le proprietà termiche dei chicchi di caffè. Il metodo è costituito da diverse fasi. Il chicco di caffè viene innanzi tutto diviso in due parti fra le quali è posto il sensore. Per assicurare un buon contatto termico, le superfici devono essere ben levigate.
Il sensore non è incollato, ma solo bloccato sul posto ed agisce contemporaneamente sia come sensore di temperatura che come sorgente definita di calore. A causa della corrente di alimentazione da 8 a 10 mA, il TT-3/100 si riscalda durante la misurazione. I risultati di misura per la diffusibilità e conduttività termica sono pronti in pochi minuti.
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Se è nota la densità del chicco, è possibile calcolarne anche la capacità termica specifica. Ad esempio, questa proprietà si può determinare semplicemente secondo il principio di Archimede. Invece della conduttività termica si può, quindi, determinare l'umidità del chicco.
L'affidabilità del metodo è stata dimostrata per confronto con provini di riferimento aventi proprietà di trasporto termico perfettamente note. I valori di misura per il calore specifico di un chicco risultano paragonabili a quelli del caffe macinato: essi corrispondono molto strettamente.
Applicazioni del Metodo di Misura
Il Dott. Ulf Hammerschmidt del PTB è fiducioso che il nuovo metodo darà origine a nuove applicazioni in diverse industrie. L'importanza della conduttività termica e della diffusibilità termica quali parametri dei materiali si estende ben oltre l'industria alimentare.
Questo metodo può anche velocizzare prove, monitoraggio ed omologazione dei nuovi materiali isolanti nell'industria edile, fornendo risultati attendibili in pochi minuti anziché in alcuni giorni. Le valutazioni dei materiali da costruzione esistenti potrebbero essere supportate da semplici misurazioni sul campo.
Fattori che Influenzano l'Acidità del Caffè
Tra i sapori che siamo in grado di percepire, l’acidità è quello più complesso. L'acidità nel caffè non dipende solo dagli acidi, ma anche dalla presenza altri composti (come gli zuccheri) che tendono ad attenuarla.
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- I caffè lavati sono influenzati dalla fermentazione in acqua che porta alla produzione di acidi. Con la lavorazione naturale invece le drupe vengono lasciate riposare e seccare al sole.
- Il processo di tostatura costituisce una delle fasi fondamentali nella lavorazione del caffè. Più il caffè è tostato chiaro, più risulterà acido in tazza.
- Solo l’esperienza del torrefattore sa sviluppare profili di tostatura che esaltano la complessità e l’equilibrio degli aromi, evidenziando la naturale acidità del caffè, senza incrementare la concentrazione di acidi sgradevoli e composti amari.
Influenza dell'Estrazione
Per comprendere l’influenza di questa fase è necessario capire meglio come avviene. Non tutte le sostanze contenute nel caffè però si dissolvono nello stesso momento: gli acidi nello specifico sono molto solubili e sono i primi a scendere nella nostra tazzina. Al contrario con una macinatura più grossolana, il contatto tra i due elementi, e la capacità di estrazione, saranno minori.
Normalmente per estrarre il caffè si usa acqua calda tra 90° e 95°C. Normalmente per l’estrazione di un espresso occorrono circa 25 secondi.
La Tostatura: Un Processo Chiave
La definizione data da wikipedia è abbastanza chiara ma necessita, nel caso specifico della tostatura del caffè, dell’accenno a due aspetti insidiosi e negativi che sono inevitabili in questo processo: la gassificazione e l’autocombustione.
Per gassificazione ci riferiamo alla rapida trasformazione di oli e zuccheri in gas e la loro conseguente espulsione dal chicco in tostatura. Questo processo inizia quando la temperatura del grano di caffè supera i 100°C, con l’evaporazione dell’acqua. Successivamente, con l’aumentare della temperatura, vengono coinvolte altre sostanze in una complessa combustione e questo fino al raggiungimento della temperatura dei 200-220°C necessari alla tostatura.
L’evento di autocombustione, invece, interessa la fase finale della tostatura, quando la temperatura si avvicina ai 200°C. Infatti, a questa temperatura inizia la carbonificazione e all’interno del chicco si innesca un processo di combustione auto-alimentata, che continua a innalzarne la temperatura anche senza l’apporto di un riscaldamento esterno.
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Nella torrefazione del caffè i grani vengono sottoposti a temperature di 200-220 °C mentre vengono agitati.
Metodi di Tostatura Tradizionali
I metodi di torrefazione sono essenzialmente due: “a letto fluido“, nel quale i chicchi di crudo vengono investiti con getti d’aria calda a temperature tra i 300°C ed i 400°C per pochi minuti, rimanendo in sospensione nella camera di tostatura; ed “a tamburo rotante“, in cui si utilizza un tamburo metallico al cui interno sono presenti coclee o alette per rivoltare continuamente il prodotto ed uniformarne la tostatura, in cui un bruciatore a gas convoglia l’aria calda necessaria al processo, per un tempo di circa 15-20 minuti secondo il tipo di caffè, la capacità della tostatrice ed il gusto del torrefattore.
Mentre nel primo sistema il caffè viene tostato molto più esternamente che all’interno, comportando anomalie gustative e di preparazione, il secondo metodo migliora nettamente, uniformando la tostatura, la resa aromatica del caffè. È sufficiente aprire un chicco a metà agendo sul solco chiaro ed osservare l’interno per rendersi conto della bontà o meno del processo di torrefazione subìto.
Come riportato da wikipedia, nei due sistemi tradizionali di tostatura il calore viene trasmesso al grano di caffè per convezione dell’aria, molto forzata nel caso del “letto fluido” e più moderata nel caso del “tamburo rotante“.
Anche se nelle moderne torrefazioni la temperatura ed il flusso dell’aria vengono controllati da sistemi automatizzati che permettono di determinare in modo preciso il profilo di tostatura, cioè la curva di temperatura del grano di caffè durante tutto il processo, inevitabilmente con le due tecniche appena descritte, ogni singolo chicco di caffè risulterà tostato sempre di più all’esterno che all’interno, ovvero il chicco sarà sempre tostato troppo all’esterno e poco all’interno.
D’altra parte aumentare il tempo di tostatura, seppure a temperatura più bassa, per migliorare l’uniformità, comporterebbe una prolungata evaporazione e combustione degli zuccheri e degli oli interni al chicco con conseguente riduzione delle caratteristiche organolettiche di un buon caffè.
Tostatura ad Irraggiamento Solare
La tecnica della torrefazione del caffè per irraggiamento solare di PuroSole nasce dalla ricerca, quasi ossessiva, di sostituire con l’energia solare lo sfruttamento di risorse naturali non rinnovabili e di ridurre l’inquinamento ambientale conseguente. Ovviamente, non bruciando il gas necessario per ottenere il calore necessario, ma utilizzando il calore indotto dal sole, questo sistema è decisamente più eco-sostenibile di qualsiasi altro classico metodo di torrefazione fino ad oggi utilizzato.
La peculiarità della torrefazione mediante irraggiamento a luce solare consiste in una migliore uniformità del grado di tostatura tra la parte esterna e la parte interna del chicco ed una maggiore conservazione delle sue proprietà naturali con conseguente esaltazione delle sue caratteristiche organolettiche. Questo perché la tostatura solare permette di ottenere chicchi tostati uniformemente in tempi ridotti rispetto alle tecniche tradizionali prima descritte, eliminando anche la necessità di una convezione forzata dell’aria.
Il chicco di caffè crudo, è di colore verde chiaro e parzialmente translucido, ovvero non completamente opaco alla luce e quando illuminato dall’esterno la luce penetra all’interno del chicco dal quale viene assorbita e convertita in calore a diverse profondità in funzione della lunghezza d’onda.
La luce del sole ha una caratteristica speciale che non è praticamente riproducibile da nessun tipo di dispositivo generatore di luce artificiale: ha uno spettro di colori molto ampio. Questo aspetto fa si che il calore è “generato” all’interno del grano di caffè contemporaneamente a diverse profondità e non soltanto propagato dall’esterno verso l’interno come invece accade con il tradizionale riscaldamento a contatto con l’aria calda.
Inoltre in questa tecnica, la funzione dell’aria è addirittura opposta a quella tradizionale. Al contrario del classico processo di riscaldamento con l’aria calda, che penetra e circola in ogni spazio libero tra i chicchi durante la tostatura, la luce colpirà soltanto i grani di caffè antistanti che incontra, e che naturalmente coprono i chicchi retrostanti lasciandoli in ombra.
La tostatura rapida e uniforme che l’irraggiamento solare agevola, è senza dubbio uno dei punti a favore di questa tecnica di torrefazione. Ma non è l’unico: infatti l’altro aspetto importante insito in questa innovativa tecnica è l’assenza della convezione forzata dell’aria sul chicco di caffè.
Per fare un paragone è un po’ come la differenza di cottura tra la carne lessa e la carne arrosto. Nella carne lessa buona parte delle sostanze prodotte dalla cottura finirà nell’acqua calda (che si trasformerà in brodo), mentre nell’arrosto la quasi totalità del prodotto di cottura resterà al suo interno.
Comunque, per ciò che vale e a solo titolo di curiosità dei test degustativi, basati su comparazioni in doppio cieco, sono stati eseguiti da un piccolo gruppo di volontari. Lo stesso caffè crudo mono origine (Santos - Brasile) è stato tostato sia da torrefazioni classiche che da questo impianto innovativo e, nel 100% dei confronti, la valutazione della tostatura solare è stata sempre considerata superiore a quella tradizionale in riferimento ai parametri di: aroma, acidità, retrogusto, corpo e cremosità.
L’intensità della luce solare per una tostatura completata in un tempo compreso tra i 5 e i 20 minuti deve avere un valore da 2 a 8 Megalux ovvero da venticinque a cento volte circa l’intensità del sole in una giornata con il cielo limpido.
Per ottenere questa intensità luminosa il sole viene riflesso da diversi specchi, ognuno dei quali con una dimensione della superficie simile a quella del contenitore da riscaldare, che puntano tutti sullo stesso obbiettivo. In questo modo l’intensità della luce ottenuta sarà uguale alla somma di tutti i fasci di luce inviati dai riflettori utilizzati.
Poiché i raggi del sole che arrivano sulla terra viaggiano quasi paralleli, la distanza tra gli eliostati che raccolgono il sole ed il ricevitore con il caffè da tostare può essere di diverse decine di metri senza alcuna perdita di energia.
Dal punto di vista energetico per ogni kg. di caffè crudo è necessario almeno un chilowatt di energia radiante.
Un aspetto che deve essere preso in considerazione con questa tecnica di tostatura è che il trasferimento di energia verso il chicco in torrefazione è direzionale. La luce che investe il grano di caffè lo fa principalmente da una direzione preferenziale, al contrario del sistema di tostatura ad aria calda che invece circonda completamente il chicco.
Anche se non è tra i principali aspetti positivi di questa tecnica, il risparmio energetico derivante dall’eliminazione della fonte principale di energia termica necessaria ai bruciatori a gas, sostituita da una risorsa illimitata e gratuita come quella solare, determina una, se pur minima, comunque apprezzabile riduzione dei costi di produzione.
L’irraggiamento solare riscalda principalmente i soli grani di caffè, e non l’aria da cui sono circondati. Teoricamente la tostatura per irraggiamento potrebbe avvenire tranquillamente anche in aria fredda, e anche se nella realtà la temperatura dell’aria a contatto dei chicchi sale, l’energia ceduta dai chicchi all’aria è comunque minima, tant’è vero che, se per tostare il caffè crudo in maniera tradizionale è necessario scaldare l’aria a 300-400°C con una potenza di almeno 5 Kw per kg., nel caso della tostatura per irraggiamento solare è sufficiente una potenza di un solo Kw. per kg.
Un’altra caratteristica positiva dell’irraggiamento diretto è la totale assenza di inerzia termica del contenitore. La tostatura infatti comincia istantaneamente a freddo appena il caffè viene illuminato dalla luce solare, senza nessuna necessità di preriscaldare alcunché nella macchina.
Pur considerando tutti i lati positivi legati all’utilizzo dell’energia solare nel procedimento di tostatura del caffè, è da considerare bene un aspetto critico che invece richiede una speciale organizzazione, cioè quello legato alla discontinuità della disponibilità dell’energia solare stessa.
Per la sua particolarità, il sistema di torrefazione a concentrazione richiede un’illuminazione solare abbastanza costante durante tutta la fase di tostatura. Questo aspetto purtroppo limita l’utilizzo diquesta tecnica alle sole giornate in cui sia prevedibile, con una buona attendibilità, un cielo sereno in cui il sole non venga coperto dalle nuvole con troppa frequenza.