Eine Gruppe von Forschern aus den Bereichen Strömungsmechanik und Physik an der Universität von Pennsylvania hat die ihrer Meinung nach beste Methode zum Übergießen von Kaffee entwickelt.
Wie man den perfekten Kaffee braut
Der Schlüssel dazu ist die Verwendung eines schwanenhalsförmigen Ausguss eines Wasserkochers und ein Ausgiessen aus möglichst großer Höhe, um eine „Lawine“ im gemahlenen Kaffee zu erzeugen. Durch diese Technik wird aus einer minimalen Menge an Kaffeebohnen ein Maximum an Kaffeearoma extrahiert.
Die Kaffeepreise sind in den letzten vier Jahren erheblich gestiegen, da das schlechte Wetter die Produktion reduziert hat. Hinzu kommen in den USA stark steigende Zölle auf kaffeeproduzierende Länder wie Brasilien und Kolumbien, wodurch die Tasse Kaffee immer mehr zu einem morgendlichen Luxusgut wird.
Aber es gibt eine Technik, mit der der Kaffeesatz noch länger haltbar gemacht werden kann. Dies erforschte eine Gruppe von Physikern und Strömungsmechanikern an der Universität von Pennsylvania.
Vor etwa einem Jahr begannen die Mitarbeiter des Labors von Arnold Mathijssen am Kaffeetisch ihres Labors darüber nachzudenken, wie man mit den wenigsten Bohnen den meisten Kaffee extrahieren kann. Jetzt haben sie ihre Ergebnisse veröffentlicht.
Unter dem Titel „Pour-over coffee: Mixing by a water jet impinging on a granular bed with avalanche dynamics“ (Mischen durch einen starken Wasserstrahl, der auf ein Granulatbett mit Lawinendynamik auftrifft) wurde in der Fachzeitschrift Physics of Fluids eine 10-seitige Arbeit veröffentlicht.
Strömungsmechanik und Maximierung der Kaffeeextraktion
„Es begann mit unserer Kaffeestation, die im Grunde genommen ein Platz auf einer unserer Laborbänke ist“, so Mathijssen, Professor für Physik an der Universität.
Einer seiner Doktoranden, Ernest Park, ist „der größte Kaffeeliebhaber im Labor“, so Mathijssen. Zu den Kaffeezubereitungsgeräten des Labors gehören eine Espressomaschine, eine French Press Kanne und ein Pour-over-Gerät. „Aber Pour-over ist das Getränk, das Ernest wirklich liebt“, sagte er.
Experimentieren an der Kaffeestation
Zunächst probierte Park einfach verschiedene Methoden aus, um das kochende Wasser in seinen Pour-over-Kaffee zu gießen. Wie es sich für ein wissenschaftliches Labor gehört, führte die Gruppe an der Kaffeestation ein Logbuch, in dem sie festhielt, was den besten Kaffee ergab.
„Anfangs probierte er nur verschiedene Dinge aus, goss den Kaffee aus verschiedenen Höhen ein und so weiter. Dann sagte er: ‚Moment mal. Das schmeckt gut, aber wir müssen die eigentlichen Experimente machen“, sagte Mathijssen.
Sie verlegten den Versuch auf einen anderen Labortisch und begannen, mit der Schütthöhe und der Größe des Wasserstrahls zu experimentieren, aber sie erkannten, dass sie bessere Daten brauchten, um genau zu bestimmen, was im Kaffeefilter passierte.
„Wir konnten nicht wirklich beweisen, was der Mechanismus war“, sagte Mathijssen.
Da Kaffeesatz undurchsichtig ist – und ein Labor für Strömungsmechanik ein Labor für Strömungsmechanik ist – wurden die Bemühungen schnell intensiviert.
Schon bald hatten sie eine Menge kleiner Kieselgelpartikel von der Größe des Kaffeesatzes, einen durchsichtigen Filter, eine Laserfolie zur seitlichen Beleuchtung des Aufbaus und eine Hochgeschwindigkeitskamera, mit der sie die Bilder filmen und mit Hilfe eines speziell entwickelten Python- und Matlab-Codes analysieren konnten.
Nach Dutzenden von Experimenten und der Analyse der Ergebnisse kamen Park, Mathijssen und Labormitglied Margot Young zu einer Technik, mit der sich die maximale Kaffeemenge aus der geringsten Anzahl von Bohnen extrahieren lässt.
Wissenschaftlich ausgedrückt, untersuchten sie „die Hydrodynamik von Pour-over-Kaffee, insbesondere wie ein Flüssigkeitsstrahl mit einem körnigen Bett aus untergetauchtem Kaffeesatz interagiert“.
Der perfekte Filterkaffee – die Anleitung für Laien
Gießen Sie das kochende Wasser langsam über den gemahlenen Kaffee, damit das Wasser mehr Zeit hat, mit dem Kaffeesatz in Kontakt zu kommen. Je länger das Gießen dauert, desto stärker ist die Extraktion. Aber gießen Sie nicht zu langsam, denn das kann dazu führen, dass sich das Wasser nicht vollständig mit dem Kaffeemehl vermischt, was dazu führt, dass ein Teil des Kaffees zu wenig und ein Teil zu viel extrahiert wird. Erhöhen Sie die Gießhöhe, um die Geschwindigkeit des Wassers zu erhöhen. Dadurch wird eine „Lawine“ im Kaffeesatz ausgelöst, so dass dieser dem kochenden Wasser maximal ausgesetzt ist. Achten Sie darauf, dass das Wasser in einem Strom fließt und nicht in Tröpfchen zerfällt. Wenn Sie zu langsam oder zu hoch gießen, reißt der Strom ab und die Lawine bleibt stehen. Sie wollen einen gleichmäßigen, laminaren Wasserstrom auf den Kaffee treffen lassen. Ein dünner Wasserstrahl – am einfachsten aus einem Schwanenhals-Wasserkocher – war der einfachste Weg, um einen langsamen, laminaren Ausguss zu erhalten. Es ist möglich, einen dünnen Strahl aus einem normalen Wasserkocher zu erzeugen, aber schwieriger zu bewerkstelligen.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass ein langsamer, laminarer Ausguss (d. h. ein einzelner Wasserstrahl und keine Tröpfchen) den aromatischsten Kaffee ergab. Der letzte Teil des Experiments bestand jedoch darin, die tatsächliche Menge der extrahierten Kaffeefeststoffe zu testen, indem die gelösten Verbindungen analysiert wurden.
Dazu wurden Tassen mit Kaffee in verschiedenen Schütthöhen und Strahlgrößen zubereitet, der Kaffee im Ofen verdampft und dann die gelösten Feststoffe gewogen.
Ist dies ein Beitrag zum wissenschaftlichen Wissen über Kaffee?
Die Kaffeeforschung kam zum Teil dadurch zustande, dass das Team während der COVID-19, als das Labor geschlossen war, eine lebensmittelwissenschaftliche Initiative startete, „weil wir so einige Experimente zu Hause durchführen konnten“, so Mathijssen.
Das Ergebnis waren Arbeiten wie „Culinary fluid mechanics and other currents in food science“, die 2023 veröffentlicht wurden. Seitdem haben sie begonnen, an örtlichen Schulen Seminare über Küchenwissenschaften abzuhalten, um das Interesse der Schüler an der Physik zu wecken.
Für die Kaffee-Experimente ergab eine Literaturrecherche, dass die Strömungsmechanik der Flüssigkeiten in Espressomaschinen und French-Press-Kaffeemaschinen bereits erforscht worden war. „Aber soweit wir wissen“, so Mathijssen, “gab es bisher noch nichts über Pour-over-Kaffee. Das haben wir jetzt geändert.“
Die Studie: https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.95.025004
Was ist Pour Over Kaffee?
Pour Over heißt auf Deutsch nichts anderes als „übergießen„. Gemahlener Kaffee wird mit Wasser übergossen und so entsteht Filterkaffee – allerdings nicht mit Hilfe einer Maschine, sondern von Hand gebrüht, wie es schon Oma machte. Diese Methode hat einen entscheidenden Vorteil. Man kann an verschiedenen Stellen Einfluss darauf nehmen, wie das Geschmacksergebnis am Ende ausfällt. Kaum eine andere Variante bietet so viele Möglichkeiten wie Pour Over.
Man benötig Filterpapier, den Halter für das Papier (=Kaffeefilter) und ein Auffanggefäß. Der Vorgang selbst ist unkompliziert. Nicht zuletzt ist es eine Fokussierung auf den klassischen Filterkaffee.