قام فريق بحث من جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW Sydney) في أستراليا مؤخرًا بتطوير طريقة جديدة لاستخلاص قهوة الإسبريسو تستخدم الموجات فوق الصوتية بدلاً من الحرارة العالية والضغط العالي لصنع "إسبريسو بالموجات فوق الصوتية". يمكنه تقليل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 75% مع الحفاظ على نفس النكهة والتركيز. تظهر نتائج الأبحاث أن طريقة الاستخلاص في درجة حرارة الغرفة هذه لا توفر الطاقة بشكل كبير فحسب، بل تقصر أيضًا وقت الإنتاج بشكل كبير، ومن المتوقع أن تحقق فوائد عملية في إنتاج القهوة الجاهزة للشرب من الدرجة الصناعية.
وفقًا للعملية التقليدية، للحصول على كوب من الإسبريسو عالي التركيز، يجب تسخين الماء وتمريره عبر مسحوق القهوة المطحون جيدًا تحت ضغط عالٍ. يأتي استهلاك الطاقة في هذه العملية بشكل رئيسي من تسخين المياه، وبسبب قدرة الماء القوية على تخزين الحرارة، لا يمكن الاستهانة باستهلاك الطاقة الإجمالي. ووجد فريق جامعة نيو ساوث ويلز أنه يمكن إكمال عملية استخراج مماثلة في درجة حرارة الغرفة باستخدام الموجات فوق الصوتية، وبالتالي تجاوز وصلة التسخين وتقليل نفقات الطاقة بشكل كبير.
وقاد البحث الدكتور فرانسيسكو تروجيلو من كلية الهندسة الكيميائية بجامعة نيو ساوث ويلز، الذي أطلق على العملية الجديدة اسم "إسبريسو بالموجات فوق الصوتية". وقال تروخيو: "إنها عملية مختلفة، ولكن يمكنك الحصول على نفس القوة والقوام مثل القهوة الإيطالية التقليدية في أقل من ثلاث دقائق". في المقابل، تتطلب الطرق التقليدية تسخينًا مستمرًا للمياه والحفاظ على الضغط العالي، بينما تستخدم المحاليل فوق الصوتية مياهًا بدرجة حرارة الغرفة تمامًا للاستخراج.
وقد استخدم فريق البحث سابقًا نفس نظام الموجات فوق الصوتية الحاصل على براءة اختراع لصنع القهوة الباردة، مما أدى إلى ضغط عملية التخمير البارد التي كانت تستغرق في الأصل ساعات أو حتى طوال الليل إلى ثلاث دقائق فقط. والآن يقومون بتطبيق هذه التقنية على قهوة الإسبريسو التي تتطلب تركيزًا أعلى، وهو ما يعتبر هدفًا أكثر تحديًا. بالمقارنة مع المشروب البارد، فإن قهوة الإسبريسو أكثر تركيزًا في كثافة النكهة ومحتوى الكافيين، مما يضع متطلبات أعلى على كفاءة الاستخلاص والتحكم في المعلمات.
فيما يتعلق بالعملية المحددة، ركز فريق البحث على تحسين متغيرين رئيسيين: نسبة التخمير وسمك الطحن. من بينها، تحدد نسبة التخمير (استهلاك الماء لكل وحدة من مسحوق القهوة) بشكل مباشر تركيز المشروب النهائي. الماء الزائد سوف يتسبب في تخفيف النكهة. ووجدوا أيضًا أن طحن الحبوب بشكل أكثر دقة يمكن أن يسرع بشكل كبير من إطلاق النكهة، مما يسمح بقوة استخلاص كافية في وقت أقل.
فيما يتعلق بهيكل المعدات، يتم تحويل سلة مرشح كوب الفلتر التقليدية إلى "مفاعل بالموجات فوق الصوتية". يتم إنشاء موجات فوق صوتية عالية التردد بواسطة محول طاقة داخلي، مما يتسبب في اهتزاز سلة الفلتر بأكملها التي تحتوي على مسحوق القهوة والماء بسرعة عالية. تنتج هذه العملية ظاهرة "التجويف الصوتي" في السائل، حيث تتشكل فقاعات صغيرة بشكل مستمر وتنهار بسرعة. عندما يحدث هذا الانهيار بالقرب من جزيئات القهوة، تتشكل نفاثات سائلة مجهرية تؤثر على سطح جزيئات القهوة وتكسرها. ومع تفكك سطح الجسيمات، يتم إطلاق مركبات النكهة والزيوت والكافيين في الماء بسرعة أكبر، مما يسمح باستخراج فعال دون الاعتماد على درجات حرارة عالية.
أجرى فريق تروخيو أيضًا اختبارًا منهجيًا على وقت عمل الموجات فوق الصوتية. وأظهرت النتائج أنه عندما تتراوح مدة الموجات فوق الصوتية بين دقيقتين ونصف إلى ثلاث دقائق، يمكن الحصول على فنجان قهوة بنكهة وتركيز أكثر توازناً. خلال هذه الفترة الزمنية، يكون الإسبريسو المستخرج أقرب حسيًا إلى خصائص النكهة التقليدية للاستخلاص بدرجة الحرارة العالية والضغط العالي.
ومن أجل تقييم مدى قبول العملية الجديدة على مستوى المستهلك، نظم فريق البحث تجربة اختبار عمياء مع ما يقرب من 100 مشارك. كان المشاركون جميعهم مستهلكين عاديين يشربون كوبًا واحدًا من القهوة على الأقل أسبوعيًا. أعدت التجربة أربع عينات من القهوة: الإيطالية التقليدية، والإيطالية بالموجات فوق الصوتية، والقهوة المفلترة التقليدية، والقهوة المفلترة بالموجات فوق الصوتية. ولضمان الحصول على نتائج غير متحيزة، تم تبريد جميع العينات إلى نفس درجة الحرارة، وصبها في حاويات ذات مظهر موحد، وتقديمها بترتيب عشوائي.
وطُلب من المشاركين تقييم كل عينة على مقياس مكون من تسع نقاط من حيث الرائحة والنكهة والمرارة والإعجاب العام. أظهرت النتائج أن المستهلكين لم يتمكنوا من تذوق الاختلافات الكبيرة بين الإيطالية التقليدية والإيطالية بالموجات فوق الصوتية. كان لدى الاثنين درجات متشابهة من حيث النكهة والتفضيل العام. لم يكن من الممكن التعرف بوضوح على نسخة الموجات فوق الصوتية في الاختبار الأعمى. في مجموعة القهوة المفلترة، كان التقييم العام للمشاركين للقهوة المفلترة بالموجات فوق الصوتية أعلى بكثير من تقييم نسخة الفلتر التقليدية، خاصة من حيث المرارة.
وخلص تروخيو إلى أن "هذه النتائج تظهر أن استخدام الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية في درجة حرارة الغرفة لا يضعف نكهة القهوة، وفي بعض الحالات يمكن أن يحسن ملمس القهوة". وهذا يعني أنه حتى بدون خطوات درجة الحرارة العالية المرتبطة عادة بصنع القهوة، فإن المنتج النهائي لا يزال بإمكانه تلبية توقعات ذوق المستهلك أو تجاوزها.
نظرًا لأن بنية النظام بسيطة نسبيًا، يعتقد فريق البحث أن تقنية استخلاص القهوة بالموجات فوق الصوتية هذه لديها الفرصة لتطبيقها على آلات القهوة المنزلية في المستقبل. ومع ذلك، ومن منظور توفير الطاقة، فإن المكاسب المحتملة الأكبر قد تأتي من التطبيقات على نطاق صناعي. في الوقت الحالي، لا تزال العديد من الشركات التي تنتج مشروبات القهوة الجاهزة للشرب بدرجة حرارة الغرفة تعتمد على الطرق التقليدية ذات درجة الحرارة العالية والضغط العالي لإنتاج المركزات. إذا تحولوا إلى أنظمة الموجات فوق الصوتية، فيمكنهم تقصير دورة المعالجة وتحقيق تخفيضات كبيرة في استهلاك الطاقة في الإنتاج على نطاق واسع.
وأشار تروخيو إلى أنه بالنسبة للشركات التي تنتج منتجات القهوة على نطاق صناعي، فإن نظام الموجات فوق الصوتية لديه القدرة على التوسع لتلبية احتياجات الطاقة الإنتاجية الخاصة بها، مما يحقق مزايا مزدوجة في وقت المعالجة واستخدام الطاقة. في هذا المقياس، تعد إمكانية توفير الطاقة التي تصل إلى 75% أمرًا بالغ الأهمية بشكل خاص، والمشروبات التي يتم الحصول عليها عن طريق الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بحد ذاتها هي قوة إيطالية مركزة، والتي يمكن استخدامها مباشرة كقاعدة للمنتجات الجاهزة للشرب، أو نقلها في شكل سائل مركز، ثم تخفيفها وتركيبها في مشروبات مختلفة مثل المشروب البارد أو القهوة بالحليب حسب الحاجة.
وقد نشرت نتائج البحث في مجلة الهندسة الغذائية. يعتقد فريق البحث أنه مع إيلاء العالم المزيد من الاهتمام لكفاءة الطاقة وأهداف خفض الكربون، فإن هذا النوع من تكنولوجيا معالجة الأغذية الجديدة التي تقلل من استهلاك الطاقة مع مراعاة المذاق سوف تحظى باهتمام متزايد في صناعة المشروبات والمواد الغذائية على نطاق أوسع.