Il caffè perfetto...matematico?

Una interessante e affascinante visita guidata al museo MUMAC (Museo della Macchina del Caffè - Cimbali - Binasco MI), a cui è  seguito un concerto per piano e solisti dell' Accademia Teatro alla Scala e un delizioso rinfresco, è stata l'occasione che ha attirato la mia curiosità per il "mondo del caffè" fin'ora a me ignoto.

Il progetto architettonico del MUMAC è stato curato 

dall’architetto Paolo Balzanelli e dall’ingegnere Valerio Cometti

Ho scoperto così un mondo davvero affascinante e un'industria in Italia che è il fiore all'occhiello della produzione mondiale, con brands come appunto Cimbali, azienda nata nel 1912 e che dal 2005 è diventata Gruppo Cimbali, comprendendo anche il marchio Faema, ma anche Nuova Simonelli, azienda marchigiana attiva dal 1936 e che oggi comprende anche il marchio Victoria Arduino, La Marzocco, azienda toscana fondata nel 1927 da Giuseppe e Bruno Bambi, o più recenti come la Sanremo, azienda veneta nata nel 1997 e la Dalla Corte di Baranzate (Milano) fondata nel 2001, o Rancilio, azienda di Villastanza di Parabiago (Milano)........e tante altre.
Colossi tutti tricolori, queste grandi aziende produttrici, che hanno come fattore comune, un'elevata percentuale di vendite all'estero, soprattutto in paesi come la Corea del Sud¹, che è il paese che più di tutti si sta interessando al mondo dell'"espresso" e dove dal 9 al 12 novembre si terrà il World Barista Championship 2017², ma anche Shangai e Hong Kong, Thailandia e Australia sono fra i maggiori acquirenti, senza dimenticare il mercato statunitense.

La Pavoni - 1905  Nel 1901, Luigi Bezzera, artefice di alcuni perfezionamenti tecnici, ottiene il brevetto della sua

 macchina per caffè espresso, presentata al pubblico in occasione dell'Expo di Milano del 1906. Inizia così la

 produzione e commercializzazione sistematica di questi apparecchi, avviando una produzione seriale.

Insomma un'esportazione d'eccellenza grazie anche alle continue ricerche e innovazioni per raggiungere la "perfezione" nella tazzina.
Perfezione che dipende ovviamente dal funzionamento della macchina per l'espresso!!! 
Funzionamento di cui è difficile fornire una spiegazione valida per tutte, perché ogni azienda dispone di diversi modelli con funzionalità e sistemi differenti.
Senza contare che ogni estrazione varia a seconda della materia prima, della qualità e freschezza del chicco, anche se, tradizionalmente, la bevanda viene erogata a 9 bar di pressione. 
Sono tante però le varianti disponibili sul mercato per il controllo della temperatura e aumentano le tecnologie per consentire al barista di verificare tutte le fasi di estrazione e modificare la temperatura a seconda del caffè utilizzato. 
Perché la temperatura dell'acqua è uno dei parametri fondamentali per un buon espresso, solitamente compresa tra 91 e 95°C secondo la composizione e il grado di tostatura del caffè, miscela o singola origine. 

Cimbali M100i, una macchina tradizionale dotata di un innovativo sistema integrato 

macchina – macinadosatore  

Dal tour guidato al MUMAC sono così venuta a conoscenza del lavoro di ricerca attento e scrupoloso da parte del Gruppo Cimbali, che ha recentemente lanciato sul mercato la M100i, una macchina tradizionale dotata di un innovativo sistema integrato macchina – macinadosatore in grado di guidare il barista nella preparazione del caffè passo dopo passo. 
Il macchinario ha inoltre un nuovo sistema automatico per la preparazione e l’erogazione del latte montato caldo e freddo. Una tecnologia innovativa, questa introdotta da Cimbali, che si propone di facilitare il lavoro del barista. 
C'è poi la Faema E71, con cui è possibile lavorare con temperature differenti su ciascun gruppo: grazie all’inedito circuito idraulico con sistema di controllo dell’infusione GTi, si garantisce la massima stabilità termica durante l’estrazione.  Faema E71 offre inoltre al barista la possibilità di lavorare sia con leva manuale sia con le selezioni su schermo touchscreen, un doppio sistema di interazione barista - macchina che rappresenta una novità assoluta nel mondo delle macchine tradizionali.

Macchina a Leva La Pavoni modello "Diamante" 1956
Designed by Bruno Munari and Enzo Mari

Fino a qualche decennio fa, le macchine per espresso erano ben diverse da quelle di oggi. 
La maggior parte dei macchinari era a leva, tipologia ancora diffusa in tanti bar napoletani tradizionali e che lavora a temperature più elevate. In queste macchine l'infusione avviene nel momento in cui si abbassa la leva e l'acqua bagna il caffè a una temperatura ben sopra i 95/96°C (livello massimo a cui può essere estratto l'espresso) ed è pressoché impossibile garantire un prodotto costante: la leva infatti verrà abbassata da ogni barista in maniera diversa ogni volta e la pre-infusione  e la seguente estrazione, proprio perché frutto di un lavoro manuale, sarà sempre differente. 
I due parametri fondamentali (temperatura e pressione) non possono così essere sotto il controllo attento dei baristi.

Modello per il centenario Cimbali 1912 - 2012

Preparare un buon caffè insomma non è per niente semplice e infinite sono le diverse ricette esistenti, che esprimono sia i gusti personali che le differenti tradizioni nei vari Paesi.
Il caffè è una delle bevande più consumate al mondo, e in ciascuna delle varie zone del pianeta è diffuso un metodo proprio di preparazione: dalla classica “tazzina” mediterranea (con, al top, l’espresso italiano), alla bevanda molto più allungata tipica del mondo anglosassone. 
Di sicuro c’è però il fatto che i differenti metodi di preparazione del caffè hanno tutti in comune la tecnica di estrazione. 
In ogni caso, infatti, si tratta di far passare acqua bollente attraverso una porzione di polvere di caffè ottenuta dai semi (i “chicchi” della pianta) tostati e macinati.
A questo punto mi è sorta spontanea una domanda: 

"Ma con tanta varietà si potrà mai raggiungere davvero una perfezione? Sarà possibile introdurre un algoritmo matematico in grado di verificare tutte le variabili e trovare la soluzione migliore? Dato che esistono più di 1.800 molecole diverse che conferiscono struttura, profumo e sapore al caffè, sarà possibile costruire una formula che consenta di avere una tazza di caffè perfetta?"

Immagine da Asymptotic Analysis of the Dominant Mechanisms in the Coffee Extraction Process .pdf 

(Credit: Kevin M. Moroney)

Una risposta è arrivata da un gruppo di ricercatori irlandesi (il team di ricerca formato da Kevin Moroney, William Lee, Johan Marra, S.B.G. O'Brien, F.Suijver dell’Università di Limerick e Portsmouth), che ha cercato di migliorare la comprensione dei numerosi parametri che influenzano il prodotto finale tenendo gli occhi puntati sul sistema di filtraggio del caffè, che come accennato sopra sembrerebbe essere il punto chiave della preparazione (con i due parametri fondamentali, temperatura e pressione).
Già da tempo ricercatori studiano la matematica che si nasconde dietro la preparazione di un buon caffè, ma ora, in questo studio apparso su SIAM Journal on Applied Mathematics , viene descritto un nuovo modello (vedi Asymptotic Analysis of the Dominant Mechanisms in the Coffee Extraction Process .pdf ) che sembra svelare un metodo ideale di preparazione.
Questo modello, che prende in considerazione precise correlazioni tra i parametri fisici della preparazione, delle materie prime e la qualità del prodotto finale (che contiene ben 1800 diversi composti chimici), tiene conto principalmente del passaggio dell’acqua calda su un letto di chicchi di caffè contenuto in un filtro, della forza di gravità che spinge l’acqua attraverso di questo e del caffè solubile che viene estratto dai grani durante il passaggio dell’acqua. 

Immagine da Asymptotic Analysis of the Dominant Mechanisms in the Coffee Extraction Process .pdf 

(Credit: Kevin M. Moroney)

Come si diceva non è la prima volta che degli studiosi di matematica si applicano al problema dell’estrazione del caffè, ma finora tutti avevano dedicato poca attenzione al sistema di filtraggio.
“I modelli di estrazione del caffè che si trovano nella letteratura scientifica - spiega Kevin M. Moroney, primo firmatario dell’ articolo - non sono basati su specifici meccanismi, validati sperimentalmente. Il nostro modello invece, descrive il flusso dell’acqua e il processo di estrazione in una dose di caffè macinato in funzione delle proprietà dei chicchi, ed è controllato sperimentalmente”.
“Di sorprendente abbiamo notato che in questo passaggio in realtà esistono due processi con cui il caffè viene estratto dai chicchi”, prosegue William Lee, uno degli autori dello studio. “Nel primo, che avviene piuttosto velocemente, il caffè viene estratto dalla superficie del chicco, mentre nel secondo, progressivamente più lento, il caffè fuoriesce dall’interno del chicco stesso”.
Inoltre, come spesso si nota, i chicchi di caffè finemente macinati possono conferire un sapore troppo amaro mentre quelli poco macinati possono produrre un caffè troppo acquoso. Un’eccessiva macinazione, infatti, da una parte aumenta la superficie del chicco che viene a contatto con l’acqua, e dall’altra riduce gli spazi tra un chicco e l’altro, rendendo più complicato il passaggio del liquido. Questo passerà quindi più tempo a contatto con il caffè, aumentandone l’estrazione nel prodotto finale che di conseguenza risulterà più amaro.

Immagine da Asymptotic Analysis of the Dominant Mechanisms in the Coffee Extraction Process .pdf 

(Credit: Kevin M. Moroney)

Già in un precedente articolo (pubblicato nel 2015 su “Chemical Engineering Science”) il team di ricercatori irlandesi aveva presentato il modello nelle sue linee generali. 
Là venivano considerati parametri quali la portata del flusso d’acqua, la dimensione dei grani e la pressione, ipotizzando che la temperatura rimanesse costante in tutto il processo (in un intervallo tra i 91 e i 94 gradi Celsius) e che l’acqua saturasse tutti i pori presenti sulla superficie dei chicchi di caffè.
Ma ora, Moroney e i suoi colleghi si sono spinti oltre. 
“Il lavoro che abbiamo presentato l’anno scorso - ha aggiunto William T. Lee, coautore dell’articolo - era matematicamente completo, ma era uno di quei modelli che possono piacere solo a un computer: un complicato sistema di equazioni differenziali che possono essere risolte solo per via numerica. Ora abbiamo prodotto un sistema ridotto di equazioni per cui è possibile trovare soluzioni approssimate”. 
Il nuovo modello di Lee e colleghi ha cercato quindi come prima cosa di semplificare i complicati processi fisici alla base della preparazione del caffè, costruendo un sistema di equazioni in grado di catturarne le caratteristiche principali. In seguito si sono occupati di relazionare le performance del sistema di preparazione con le proprietà del caffè, dell’acqua e della macchina usata, con lo scopo finale di riuscire a predire la qualità del caffè ottenuto.
Questo modello, infatti, considera anche le diverse fasi del filtraggio dell’acqua: lo stadio iniziale, in cui il chicco di caffè è ancora integro; il passaggio dell’acqua bollente, che determina una rapida estrazione delle sostanze dalla superficie del chicco, tra cui la caffeina; la fase successiva, in cui gli strati esterni del chicco sono ormai esauriti e il processo di estrazione è dominato dalla lenta diffusione delle sostanze presenti nella parte 
più interna, che era inizialmente trascurabile. 
Insomma, un’analisi complessa e articolata.
“Il valore delle soluzioni trovate - conclude Moroney - è nella possibilità di correlare le prestazioni del sistema di percolamento con le proprietà del caffè, dell’acqua e dell’apparecchiatura usata. Queste soluzioni dovrebbero permettere di prevedere la qualità del caffè in base alle specifiche configurazioni usate”.

Immagine da Asymptotic Analysis of the Dominant Mechanisms in the Coffee Extraction Process .pdf 

(Credit: Kevin M. Moroney)

In sostanza, quello di cui si è occupato il team di ricerca dell’Università di Limerick e Portsmouth, è stata la comprensione dei numerosi parametri che influenzano il prodotto finale tenendo gli occhi puntati sul sistema di filtraggio del caffè, che sembra essere appunto il punto chiave della preparazione.
Circa 10 degli oltre 18 milioni di macchine da caffè vendute ogni anno in Europa, infatti, funzionano facendo passare dell’acqua calda su un letto di chicchi di caffè contenuto in un filtro.
La gravità spinge l’acqua attraverso di questo e del caffè solubile viene estratto dai grani durante il passaggio dell’acqua.
“Di sorprendente abbiamo notato che in questo passaggio in realtà esistono due processi con cui il caffè viene estratto dai chicchi”- racconta William Lee -“Nel primo, che avviene piuttosto velocemente, il caffè viene estratto dalla superficie del chicco, mentre nel secondo, progressivamente più lento, il caffè fuoriesce dall’interno del chicco stesso”.
Come detto un’eccessiva macinazione da una parte aumenta la superficie del chicco che viene a contatto con l’acqua, e dall’altra riduce gli spazi tra un chicco e l’altro, rendendo più complicato il passaggio del liquido. 
“Quello che abbiamo fatto nel nostro lavoro" prosegue Lee "è raccogliere tutte queste osservazioni e renderle delle informazioni di tipo quantitativo, in modo da sviluppare un modello matematico completo che sarà utile a costruire le macchine da caffè del futuro, così come la fluidodinamica è utile a costruire le macchine da corsa”.

Immagine da Asymptotic Analysis of the Dominant Mechanisms in the Coffee Extraction Process .pdf 

(Credit: Kevin M. Moroney)

Un altro fattore sembra influire sul sapore finale, vale a dire il cambiamento di posizione dei grani di caffè durante il passaggio dell’acqua e quindi la domanda che si pone Lee e ricercatori è questa:
“Sarà meglio usare un unico getto di acqua indirizzato verso il centro del filtro, o una pioggia diffusa che raggiunga tutta la superficie?” si interroga Lee, rendendo quella del caffè perfetto un’idea scientificamente ineccepibile ma forse ancora un po' lontana.
Per il momento credo che per preparare un buon caffè sia ancora il caso di fidarci delle sane tradizioni di casa nostra .

Note

¹ In Corea la cultura del caffè nasce intorno al 1910 e si deve all’Imperatore Sunjong, il secondo e ultimo imperatore della Corea (1907-1910). Storia del caffè in Corea

² Francesco Masciullo porterà i colori dell’Italia alla competizione più attesa al mondo, il World Barista Championship di Seoul.

Il WBC, una vera e propria “Olimpiade del Barista” si terrà a Seoul dal 9 al 12 novembre 2017. On line l’incredibile performance del miglior barista italiano 2017, vincitore del Campionato Italiano Baristi 2017

Fonti

From website

Asymptotic Analysis of the Dominant Mechanisms in the Coffee Extraction Process .pdf 

https://sinews.siam.org/Details-Page/the-mathematics-of-coffee-extraction-searching-for-the-ideal-brew 
https://phys.org/news/2016-11-mathematics-coffee-ideal-brew.html
https://phys.org/news/2016-06-chill-coffee-beans-flavorsome-brew.html