В поисках «кофейного Грааля». Как человечество пытается сварить идеальный кофе и какие рецепты предлагают…математики

В начале года мы говорили ^[1] об особенной любви ИТ-специалистов к кофе, рассказывали об open source-проектах для его поклонников. Сегодня мы в Beeline Cloud ^[2] решили окунуться в историю «бенчмарков» кофейного вкуса ^[3]: как ученые и инженеры пытались найти оптимальный способ приготовления этого напитка, и какие исследования проводят математики ^[4] и биохимики.

Кстати, еще у нас вышла свежая подборка для «DIY-чтения»: Облачно, возможны нейросети — кризис датасетов и ахиллесова пята систем машинного зрения ^[5].

Сначала было пиво

В XVI веке (и ранее) качество питьевой воды в Европе вызывало сомнения. Высокая плотность населения и загрязненные источники делали ее потенциально опасной ^[6]. На этом фоне неудивительно, что для многих жителей более практичной альтернативой становились ^[7] слабоалкогольные напитки — прежде всего пиво. По современным меркам ситуация выглядит почти парадоксально, однако по сравнению с водой оно считалось ^[8] более безопасным напитком для взрослых с ослабленным здоровьем. Важную роль играла и калорийность: пиво служило ^[9] доступным источником энергии для тех, чья жизнь была связана с тяжелым физическим трудом. Именно поэтому «жидкий хлеб» особенно прочно вошел ^[10] в повседневность чернорабочих, ремесленников и моряков. Впрочем, в больших количествах употребление алкоголя, ожидаемо, плохо сказывалось на продуктивности и «ясности ума».

Поэтому, когда по Европе начал распространяться кофе, в нем в первую очередь увидели безопасную и эффективную замену алкоголю. Он сохранял бодрость и поддерживал работоспособность, не вызывая опьянения. Впоследствии владельцы фабрик сами мотивировали ^[11] своих рабочих употреблять вместо пива некогда экзотический напиток — кофе помогал трудиться во время ночных смен и притуплял чувство голода. По словам ^[12] нашего современника, публициста и ученого Марка Пендерграста: «Утренний кофе заменил пивной суп ^[13] на завтрак».

Что касается европейской интеллигенции, то для нее кофе довольно быстро стал важной частью интеллектуальной и деловой культуры. Привычка вести долгие беседы за чашкой крепкого черного напитка постепенно превратила кофейни в особые пространства для обмена идеями. Их нередко называли «университетами за пенни ^[14]», где ученые, философы, политики и предприниматели обсуждали актуальные вопросы, делились знаниями. Еще в таких заведениях часто собирались торговцы, брокеры, судовладельцы, страховщики — все они обсуждали готовящиеся рейсы, изучали котировки акций и могли прямо за кофейным столиком заключать контракты и сделки. По сути, кофейни выполняли функцию ранних деловых хабов, впоследствии послуживших основой крупнейших финансовых институтов Великобритании, включая Лондонскую фондовую биржу и Ллойд ^[15].

У кофемана нет цели, только путь [к идеальному кофе]

Неудивительно, что в связи с ростом популярности кофе его потребители стали все чаще экспериментировать со способами приготовления в попытке добиться «идеальной» заварки. Первое время акцент делался не столько на всестороннем раскрытии вкусового профиля и оптимизации его отдельных компонентов, сколько на технике приготовления ^[16].

Так, в XIX веке во Франции появился ранний вариант дрип-метода ^[17]. Считается, что первый такой кофейник разработал Жан-Батист де Беллуа, архиепископ Парижа, в 1800 году. Конструкция представляла ^[18] собой трехсекционное устройство: верхний отсек для воды, средний — с металлическим или фарфоровым фильтром для кофе, и нижний — для готового напитка. Преимуществом метода стал ^[19] более мягкий вкус; меньше осадка означало меньше горечи.

Часть изобретателей, напротив, искала способы сделать кофе плотнее и насыщеннее. Так, в 1852 году французы Майер и Дельфорж запатентовали первый френч-пресс ^[20]. Устройство позволило сохранить в напитке максимум кофейных масел, делая настой более текстурным и насыщенным. Правда, ранняя версия френч-пресса отличалась ^[21] от привычных нам моделей. Это был металлический заварник с подвижным прессом, обтянутым марлей. Современный облик френч-пресс начал приобретать ^[22] лишь в 1929 году, когда итальянские инженеры Калимани и Монета представили конструкцию с металлической сеткой и гибкой пружиной по периметру поршня — решение, позволившее плотнее удерживать фильтр и эффективнее отсекать гущу.

Примерно с середины XIX века энтузиасты начали экспериментировать и с растворимым кофе ^[23] — искали оптимальный способ обработки и заваривания. Одну из первых попыток предприняли специалисты из шотландской компании T & H Smith, которые в 1840 году разработали специальный кофейный концентрат.

Процесс производства был достаточно прост: сперва напиток заваривали обычным способом, потом выпаривали его на четверть и смешивали с экстрактом цикория и сахарным сиропом. Достаточно было развести одну-две чайные ложки эссенции в кипятке, чтобы получить чашечку кофе [хотя специалисты говорят, что по вкусу напиток напоминал, скорее, ароматизированную патоку]. 

Еще одну попытку предпринял новозеландский торговец специями Дэвид Стрэнг в 1889 году. Он решил сушить зерна горячим воздухом до тех пор, пока они не начинали крошиться в порошок. Как говорят ^[24] кофейные эксперты, такой способ позволил с легкостью транспортировать продукт, но его вкус все равно оставлял желать лучшего. Невысокий коммерческий успех инновации Стрэнга в Новой Зеландии, вероятно, подтверждает эту мысль.

В 1908 году немка Мелитта Бенц предложила еще один способ заварки. Она запатентовала кофе-фильтр ^[25], который представлял собой не что иное, как воронку из промокательной бумаги. Напиток получался чистым, а его вкус был менее горьким по сравнению с другими техниками заваривания.

Конечно, Франция и Германия были не единственными странами, в которых предпринимались попытки предложить новые способы заваривания, чтобы в полной мере раскрыть вкус кофе. К примеру, в 1933 итальянский инженер спроектировал гейзерную кофеварку ^[26], а в 1946 году его сын запустил промышленное производство и продажу этого устройства. Вкус кофе в нем получается крепким и плотным, хотя и с горчинкой.

«Золотой рецепт»

Ко второй половине XX века кофемания настолько разошлась по миру, что стало появляться все больше профильных организаций, исследующих на профессиональном уровне особенности этого напитка. Так, в Национальной ассоциации ^[27] кофе США решили «подружить» кофейную индустрию и точные науки и в начале пятидесятых основали Институт заваривания кофе (CBI). В нем стали изучать методы приготовления с точки зрения ^[28] термодинамики и принципов экстракции веществ.

Первым директором организации стал биохимик и пищевой технолог Эрнест Локхарт. Именно он в 1957 году вывел формулу идеального кофе, которую сегодня называют «золотой чашкой ^[29]». Свои находки он опубликовал в рамках научной работы, где представил так называемую контрольную диаграмму заваривания ^[30]. Она позволила определять вкус кофе даже без дегустации, опираясь на процент растворенных в напитке веществ (TDS). Схема описывала органолептический профиль напитка с точки зрения его крепости, горечи и плотности. По мнению Локхарта, идеальный фильтр-кофе имеет TDS 1,15–1,45% и экстракцию 18–22%.

Исполнительный директор Фонда науки о кофе Питер Джулиано назвал ^[29] исследование Локхарта «основой всех имеющихся современных представлений об экстракции». И по его мнению, этот подход стал прорывом в вопросах приготовления кофе: «Это открытие предоставило специалистам полноценный инструмент, с помощью которого они могут определять с физической точки зрения, правильно ли сварен кофе».

Тысяча и один вкус

Классическая диаграмма Локхарта долгое время считалась основополагающим инструментом как среди профессионалов кофейной индустрии, так и среди обычных любителей заварить напиток дома. Однако за минувшие десятилетия эксперты, ученые и просто кофеманы выделили десятки и сотни дополнительных дескрипторов и характеристик вкуса.

В 1995 году Американская ассоциация спешелти-кофе (SCAA ^[31]) представила свое «колесо вкусов ^[32]», которое позволяет охарактеризовать вкус напитка более чем сотней признаков: не просто как «крепкий» или «оптимальный», а отметить в нем ноты лимонной и яблочной кислот, подчеркнуть фундук и арахис или даже сравнить вкус с резиной или картоном. А специалисты из Калифорнийского университета в Дейвисе в 2023 году представили свое исследование ^[33], в рамках которого изучили научные работы, посвященные вопросам приготовления кофе, вышедшие в 2020 и 2021 годах. На их основе они выделили больше 32 тыс. описаний органолептических свойств и 324 метрики (химические и физические).

Также стоит учитывать и исторический контекст, в котором Локхарт создавал свою диаграмму. Исследователь опирался ^[29] на инструменты, доступные в середине XX века: гидрометры, ртутные термометры и другие измерительные приборы своего времени. По современным меркам их точность весьма ограничена, особенно если сравнивать с нынешними цифровыми системами анализа. Более того, сегодня у исследователей есть доступ к методам и оборудованию, которые во времена Локхарта попросту не существовали. Например, в научной работе ^[34] 2020 года американские специалисты использовали цифровой рефрактометр — прибор, позволяющий с высокой точностью измерять концентрацию растворенных веществ в напитке. Очевидно, что подобные инструменты дают возможность анализировать процесс заваривания значительно глубже, чем это было возможно полвека назад.

Новый взгляд на привычную схему

В 2020 году команда исследователей из все того же Калифорнийского университета в Дейвисе представила научную статью ^[35], в которой призвала возродить дискуссию о «золотом стандарте» Локхарта. Они отобрали 118 любителей кофе, чтобы те дегустировали напитки с разной крепостью и степенью экстракции. Оказалось, что для многих предпочтительными стали варианты, в которых параметры выходили за пределы обозначенной Локхартом «зоны оптимального вкуса».

Следующая их работа ^[36] появилась в 2023 году — в ней специалисты предложили сразу несколько диаграмм на замену «золотому стандарту». Сначала исследователи набрали добровольцев и разделили их по группам из 12 человек. Затем в течение нескольких недель ученые опрашивали дегустаторов о том, как они воспринимают ту или иную ассоциацию: «Что вы подразумеваете под вкусом кислинки или горчинки?». Целью было добиться, чтобы в каждой группе участники имели единое представление о конкретном дескрипторе. Только после этого им начали предлагать на пробу различные сорта кофе и спрашивать о впечатлениях.

На основе собранных данных ученые смогли построить сенсорную схему контроля заваривания, учитывающую степень горечи, кислотности, плотности и вязкости, а также цитрусовые, сладкие, жженные и другие вкусы. Еще одна схема отражала органолептические свойства кофе и потребительские предпочтения при заваривании. Они также предложили собственную вариацию схемы Локхарта, в центре которой располагается не «объективно наилучший вкус», а «классический», тогда как по углам размещены зоны «кислых и цитрусовых», «горьких и жареных», «сладких» и «похожих на чай» дескрипторов. Новая схема служит вкусовым ориентиром и не утверждает, что выход за пределы «оптимальных параметров» обязательно испортит напиток.

Однако специалисты из Калифорнийского университета в Дейвисе не единственные, кто пытается предложить свой вариант рецепта «золотой чашки». В 2020 году ученые из США, Великобритании, Швейцарии, Ирландии и Австралии опубликовали исследование ^[37], в рамках которого попытались обнаружить оптимальные, на их взгляд, параметры приготовления эспрессо. Сначала они построили математическую модель процесса заваривания, чтобы описать, как именно вода взаимодействует с кофейной таблеткой во время приготовления напитка. Затем команда провела серию экспериментов с классическим рецептом, предложенным Американской ассоциацией спешелти-кофе, постепенно меняя ключевые параметры: степень помола, объем напитка и давление в кофемашине. Специалисты пришли к выводу, что лучше брать меньшее количество зерен и использовать крупный помол. Предложенный метод позволил на четверть уменьшить расход кофе, но при этом сделать вкус значительно более выраженным. 

Причем исследование не ограничилось лабораторными тестами. Авторы проверили метод на практике в реальном кафе. Изначально заведение готовило эспрессо по стандартной схеме: 20 граммов молотого кофе себестоимостью около 50 центов на порцию. После перехода на новую методику бариста начал использовать лишь 15 граммов кофе крупного помола. В результате каждая чашка стала обходиться заведению примерно на 13 центов дешевле при улучшенных вкусовых характеристиках напитка. 

Похоже, что поиски «идеальной» техники и рецепта приготовления кофе еще далеки от завершения. В последние годы исследователи все чаще обращают внимание ^[38] на холодное заваривание — уже предложили использовать вакуумные циклы ^[39] для холодной экстракции и метод ультразвукового колд-брю ^[40]. Так что перед теми поклонниками напитка, кто любит быть в курсе современных тенденций, открываются почти бесконечные возможности для экспериментов. А можно по старинке залить кипяток в дедовский эмалированный кофейник и не переживать ни о каких «золотых стандартах».

Beeline Cloud ^[2] — безопасный облачный провайдер. Разрабатываем облачные решения, чтобы вы предоставляли клиентам лучшие сервисы.

Больше интересных материалов в нашем блоге и на площадке «вАЙТИ»:

• «Чтение на выходные»: кризис датасетов и ахиллесова пята систем машинного зрения ^[5]

• «Кофейку бахну и норм» — кофейная лихорадка в ИТ и открытые проекты по теме ^[1]

• Иностранные облака под запретом: что это значит для IT-компаний ^[41]