Χημεία νερού στον καφέ μας

Άρθρα
Ιούλ 09
Share post

Η χημεία νερού στον καφέ είναι ένα ακόμα από τα μυστικά του τέλειου εσπρέσο. Η σκληρότητα, η αλκαλικότητα, το pH, τα ολικά διαλυμένα στερεά (TDS), τα επίπεδα νατρίου η οσμή, το χρώμα και το χλώριο είναι σημαντικές παράμετροι της ποιότητας του νερού που θα χρησιμοποιήσουμε για την παρασκευή ροφημάτων και συμμετέχουν ενεργά στην διαδικασία εκχύλισης, επηρεάζοντας σε μεγάλο βαθμό το τελικό αποτέλεσμα.

Για την σωστή εκχύλιση κόκκων καφέ, πρέπει το νερό μας να περιέχει ένα μικρό ποσοστό διαλυμένων ουσιών (μετάλλων). Τα ιόντα ορισμένων μετάλλων όπως ασβέστιο (Ca⁺⁺ ) και μαγνήσιο (Mg⁺⁺ ), σε συγκεκριμένα επίπεδα συγκέντρωσης μέσα στο νερό, είναι απαραίτητα γιατί βοηθούν τελικά στην ανάδειξη των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών στον καφέ.

Τα κρίσιμα σημεία δειγματοληψίας είναι

Το νερό της βρύσης από το δίκτυο ύδρευσης (θα μας βοηθήσει στην επιλογή φίλτρων)
Το νερό μετά τα φίλτρα μας (για το έλεγχο της ποιότητας νερού του βραστήρα της μηχανής μας)
Το νερό στα μπλοκ και το ακροφύσιο ατμού (για να γνωρίζουμε την ποιότητα νερού που θα εκχυλίσουμε)

TDS – Ολικά διαλυμένα στερεά

Όργανο μέτρησης TDS

Το T.D.S (Τotal Dissolved Solids) εκφράζει τη συνολική συγκέντρωση των διαλυμένων στο νερό αλάτων, με μέγεθος μικρότερο από 2mμ, χωρίς να περιλαμβάνονται τα αιωρούμενα ιζήματα, τα κολλοειδή και τα διαλυμένα αέρια. Δηλαδή το TDS αποτελεί ένας δείκτης αλατότητας, πολύ σημαντικός παράγοντας στην χημεία νερού στον καφέ και πρέπει να μετράται πριν από κάθε άλλη μέτρηση, στο νερό της βρύσης. Η μέτρηση είναι εύκολη με ένα TDS meter και θα καθορίσει την μονάδα επεξεργασίας νερού που θα χρησιμοποιήσουμε.

Αν οι τιμές του T.D.S. κυμαίνονται μεταξύ

0-1.000 mg/L το νερό είναι γλυκό (fresh) και ένα φίλτρο άνθρακα είναι αποτελεσματικά ως αρχική επιλογή
1.000-10.000 mg/L θεωρείται υφάλμυρο (brackish), και μόνο μια αντίστροφη όσμωση θα λύσει το πρόβλημα
10.000-100.000 mg/L το νερό είναι θαλασσινό (salt or saline) και θα πρέπει να αποφύγουμε την χρήση του

Υφάλμυρα νερά συναντάμε σε πολλές παραθαλάσσιες και νησιωτικές περιοχές της Ελλάδα.

Αλκαλικότητα του νερού ή Αλκαλική σκληρότητα (kH)

Ψηφιακό Φωτόμετρο

ορίζεται ως, η χημική μέτρηση της ικανότητας του νερού να εξουδετερώνει οξέα. Αλκαλικότητα είναι επίσης, το μέτρο της ρυθμιστικής ικανότητας του νερού ή της ικανότητάς του να αντιστέκεται σε μεταβολές του pH κατά την προσθήκη οξέων ή βάσεων. Αν αυτά σας φαίνονται ακαταλαβίστικη χημεία νερού στον καφέ, θα πω απλουστευμένα ότι…

Η αλκαλικότητα ένα μέτρο, για το ποσοστό διαλυμένου διοξειδίου του άνθρακα σε διάφορες μορφές μέσα στο νερό.

Η δουλειά που κάνει στο νερό είναι ότι προδίδει σταθερότητα (buffer) στο pH όταν του προσθέτουμε οξέα.

Δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η αλκαλικότητα στο νερό τόσο πιο σταθερό διατηρείται το pH όταν του προσθέτουμε οξέα. Οξέα μπορεί να δημιουργηθούν από το ίδιο το νερό κατά τον βρασμό. Οξέα φυσικά προστίθενται και μέσα στο φλιτζάνι μας, κατά την εκχύλιση του καφέ.

Η αλκαλικότητα που ονομάζεται και ανθρακική σκληρότητα, στα φυσικά νερά παίρνει τιμές που μπορεί να κυμαίνονται από το μηδέν σε περιοχές που πλήττονται από την όξινη βροχή. Φτάνει μέχρι λιγότερο από 20 mg/L για τα ύδατα που βρίσκονται σε επαφή με εδάφη χωρίς ανθρακικά, και έως 2000 mg/L για τα ύδατα σταθμών επεξεργασίας λυμάτων (Pohland και Bloodgood, 1963).

Που βρίσκει το νερό μας το διοξείδιο του άνθρακα; Το νερό της βροχής πέφτοντας στην γη, αντιδρά με το διοξείδιο του άνθρακα που συναντά στον αέρα και δημιουργεί ανθρακικό οξύ (το γνωστό των ανθρακούχων αναψυκτικών),

CO₂ + H₂O <=> H₂CO₃

Το ανθρακικό οξύ διαλύεται στο νερό σε διτανθρακικά ιόντα

H₂CO₃ <=> HCO₃⁻ + H⁺

Και τα διτανθρακικά διαλύονται σε ανθρακικά ιόντα

HCO₃⁻ <=> CO₃²⁻ + H⁺

Όλες αυτές οι αντιδράσεις ονομάζονται αμφίδρομες. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε από αυτές τις μορφές μέσα στο βρόχινο νερό ανάλογα με την τιμή του pH. Το φαινόμενο αυτό εξηγεί παράλληλα και την μεταβολή του συνολικού pH του σε ελαφρά όξινο.

Το βρόχινο νερό δεν είναι κατάλληλο για παραγωγή καφέ διότι είναι επιθετικό στα μέταλλα των μηχανών.

Να θυμάστε ότι στα φυσικά νερά (της βρύσης με pH 6,8 – 8,5) το διοξείδιο του άνθρακα υπάρχει σε συντριπτική πλειοψηφία σε μορφή διττανθρακικού ιόντος HCO₃⁻ . Κατά συνέπεια μετρώντας ολική αλκαλικότητα στην ουσία μετράμε την ποσότητα των διττανθρακικών.

Γιατί η μέτρηση της αλκαλικότητας είναι σημαντική;

Η μέτρηση της ολικής αλκαλικότητας είναι πολύ συχνή διαδικασία στην χημεία νερού στον καφέ. Μας δίνει μια πρόβλεψη για το πόσα άλατα μπορούν να δημιουργηθούν στις αντιστάσεις του μπόιλερ και τα υπόλοιπα θερμά εξαρτήματα της καφετιέρας, όταν βράζουμε το νερό.

Η προσθήκη θερμότητα λειτουργεί ως καταλύτης, ώστε η αλκαλικότητα (HCO₃⁻ ) να αντιδράσει με ελεύθερα μεταλλικά στοιχεία Ca⁺⁺ και Mg⁺⁺, την μόνιμη σκληρότητα δηλαδή και θα μετατραπεί σε πουρί ανθρακικού ασβεστίου (CaCO₃) ή ανθρακικού μαγνησίου (MgCO₃) στις αντιστάσεις και τους αισθητήρες.

Η αλκαλικότητα του νερού μέσα στο μπόιλερ στους +95⁰C, θα αντιδράσει με τα μεταλλικά ιόντα σχεδόν πλήρως, σχηματίζοντας άλατα.

Αν η αλκαλικότητα είναι μεγαλύτερη από την σκληρότητα μετά τα φίλτρα μας, δηλαδή αν υπάρχει περίσσεια διττανθρακικών ιόντων (HCO₃⁻ ). Αυτά μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα και ιόντα υδροξυλίου OH⁻ σύμφωνα με την αντίδραση HCO₃ <=> CO₂ + OH. Το διοξείδιο του άνθρακα που δημιουργείται, θα φεύγει ως αέριο κατά το ξέπλυμα των μπλoκς ή σε αυτόματο μηχανές με το flush.

Αν η σκληρότητα είναι μεγαλύτερη από την αλκαλικότητα μετά τα φίλτρα μας, η αλκαλικότητα θα εξαφανιστεί πλήρως. Θα εξουδετερώσει ίση ποσότητα μεταλλικών στοιχείων Ca⁺⁺ και Mg⁺⁺ σε μεταλλικά άλατα (CaCO₃ και MgCO₃). Η περίσσεια ασβεστίου και μαγνησίου θα περάσει στην εκχύλιση και θα αντιδράσει με τα οξέα του καφέ. Εξουδετερώνοντας οξέα του καφέ, μειώνουμε τελικά και την οξύτητα του καφέ.

Η μεγάλη διακύμανση στις τιμές αλκαλικότητας από περιοχή σε περιοχή, είναι λόγος που είναι απαγορευτικό το υλικό των μπόιλερ να είναι χάλκινο. Αλκαλικότητα μικρότερη από 50mg/lit δημιουργεί πολύ τοξικές για τον άνθρωπο ουσίες.

Η μέτρηση της αλκαλικότητας μπορεί να γίνει με test sticks όπως της σκληρότητα που θα δούμε παρακάτω ή με φωτομετρική μέθοδο για μεγαλύτερη ακρίβεια.

Σκληρότητα στην χημεία νερού στον καφέ (H – hardness)

Το νερό της βροχής, στην διαδρομή που κάνει μέχρι να φτάσει στις δεξαμενές της εταιρίας ύδρευσης, συλλέγει μεταλλικά άλατα από τα ασβεστολιθικά πετρώματα. Τα διαλύει σε μεταλλικά ιόντα, όπως ασβέστιο (Ca⁺⁺ ) και μαγνήσιο (Mg⁺⁺ ), και σε πολύ μικρότερο βαθμό, σίδηρο (Fe⁺⁺), στρόντιο (Sr⁺⁺), μαγγάνιο (Mn⁺⁺). Αυτά τα πετρώματα είναι σε αφθονία στον Ελλαδικό χώρο και είναι ο λόγος που η Ελλάδα, έχει σε πολλά μέρη σκληρά νερά.

Τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου είπαμε ότι είναι σε συντριπτικό βαθμό είναι υπεύθυνα για την σκληρότητα του νερό μας. Είναι αυτά που κάνουν το σαπούνι να μην λειώνει και τις βρύσες του μπάνιου και τους βραστήρες λευκούς από το πουρί.
Δεν λείπουν βέβαια περιοχές που και τα άλλα ιόντα παρουσιάζονται σε σημαντικές συγκεντρώσεις και χρίζουν ιδιαίτερης αντιμετώπισης. Για παράδειγμα στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης, συναντάμε υψηλές συγκεντρώσεις Μαγγανίου ή στην δυτική Κρήτη που συναντάμε θειικά. Είναι σημαντικό για την χημεία νερού στον καφέ να γνωρίζουμε τα ειδικά χαρακτηριστικά της περιοχής μας. Είναι θέμα άλλης κουβέντας η γεωγραφία της ποιότητας νερού στην Ελλάδα.

Η παροδική ή ανθρακική σκληρότητα που προέρχεται από την παρουσία όξινων ανθρακικών αλάτων του ασβεστίου (Ca⁺⁺ ) και μαγνησίου (Mg⁺⁺ ). Η ανθρακική σκληρότητα στο νερό λοιπόν, ονομάζεται η περιεκτικότητα σε αυτά τα μεταλλικά ιόντα. Η περιεκτικότητα διαλυμένων ιόντων είναι το «έτερο ήμισυ» τον αλάτων που συσσωρεύονται μέσα στις καφετιέρες μας.

Η εισαγωγή θερμότητας δρα καταλυτικά και επιταχύνει την αντίδραση των διαλυμένων ιόντων ασβεστίου Ca⁺⁺ και μαγνησίου Mg⁺⁺ με τα διτανθρακικά HCO₃^—με αποτέλεσμα να καθιζάνει το στερεό CaCO₃και το MgCO₃

Η μόνιμη σκληρότητα – permanent hardness ή μη ανθρακική, προέρχεται από την παρουσία αλκαλικών γαιών ενωμένων με το θειικό ιόν, το ιόν χλωρίου και το νιτρικό ιόν. Η κύρια πηγή των θειικών ιόντων είναι η οξείδωση του σιδηροπυρίτη.

Μία ακόμα μέτρηση για την χημεία του νερού στον καφέ είναι η ολική σκληρότητα.

Ολική σκληρότητα λοιπόν, είναι το άθροισμα της ανθρακικής (προσωρινή σκληρότητα) και της μη ανθρακικής (μόνιμη σκληρότητα).

Η σκληρότητα στο σημείο βρασμού

Κατά τον βρασμό, μόνο η ανθρακική σκληρότητα θα αντιδράσει με την αλκαλικότητα δημιουργώντας ιζήματα (πουρί). Είναι οι σημαντικότερες παράμετροι μετά το pH στην χημεία νερού στον καφέ και πρέπει να τις γνωρίζουμε ώστε να διατηρηθεί η ποιότητα του καφέ σταθερή σε ολόκληρη την διάρκεια του έτους και όταν χρειάζεται να μπορούμε να επέμβουμε έγκαιρα για μικρο – διορθώσεις.

Μέτρηση σκληρότητας με ταμπλέτες

Στην περίπτωση που η αλκαλικότητα είναι μεγαλύτερη από την ολική σκληρότητα τότε

μη ανθρακική σκληρότητα (μόνιμη) = 0
ολική σκληρότητα = με την ανθρακική σκληρότητα (παροδική)

Αν η αλκαλικότητα είναι μικρότερη από την ολική σκληρότητα τότε

Παροδική σκληρότητα = Αλκαλικότητα
Μόνιμη σκληρότητα = Ολική σκληρότητα – Αλκαλικότητα

Το υπόλοιπο τμήμα της ολικής σκληρότητας, η λεγόμενη και μη ανθρακική ή μόνιμη σκληρότητα όταν υπάρχει, αντιδρά με άλλα υπάρχοντα ιόντα στο νερό όπως για παράδειγμα τα χλωρίδια Cl^– ή τα θειικά SO4 και θα μετατραπούν σε χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2), σε θειικό μαγνήσιο (MgSO4), σε χλωριούχο μαγνήσιο (MgCl2) που παραμένουν διαλυμένα στο νερό και είναι αδιάφορα ή σε κάποιες περιπτώσεις θειικό ασβέστιο (CaSO4 ή γύψος) σε περιοχές με θειώδη πετρώματα, που δυστυχώς καθιζάνει και αυτό σαν σκληρό πουρί.

Πως γίνεται η μέτρηση της ολικής σκληρότητας;

Η μέτρηση της σκληρότητας γίνεται με την μέθοδο χρωματογραφίας με φωτόμετρα, σταγόνες ή ταμπλέτες ή τα ειδικά καρτελάκια (test strips) που θα δούμε παρακάτω:

Αδειάζουμε λίγο νερό, από το ένα group της μηχανής.
Περιμένουμε μέχρι να φτάσει σε θεοκρασία δωματίου και βυθίζουμε το καρτελάκι για 2’’
Περιμένουμε για άλλο λεπτό (1’), έως ότου αλλάξουν τα χρώματα.
Τοποθετούμε το καρτελάκι στο κουτί σύμφωνα με την φορά των ενδείξεων σκληρότητας.
Ταιριάζουμε το καρτελάκι στον ανάλογο χρωματισμό και ο αριθμός του είναι ο βαθμός σκληρότητας.

Η μέτρηση ολικής σκληρότητα έχει μεγαλύτερη σημασία να μετράται στην είσοδο της μηχανής. Στα μπλοκ σκληρότητα και αλκαλικότητα θα έχει μεταβληθεί αφού, η αλκαλικότητα θα έχει μειωθεί κατά τον βρασμό. Τα άλατα ασβεστίου και μαγνησίου έχουν ήδη δημιουργηθεί και έχουν κολλήσει στις αντιστάσεις και τα υπόλοιπα εξαρτήματα. Η ολική σκληρότητα θα έχει εξαιρετικά μειωμένη, αν όχι μηδενική τιμή στα μπλοκ.

Η μέτρηση στα μπλοκ μπορεί να μας δώσει εξηγήσεις στο γιατί ο καφές μας δεν έχει τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά.

Αν μετρηθεί σκληρότητα στο μπλοκ πιθανότατα ο καφές να υπολείπεται σε οξύτητα. Αν μετρηθεί αλκαλικότητα είναι σίγουρο ότι θα εκχυλίσουμε το μεγαλύτερο δυνατό ποσοστό καφεΐνης.

Η τιμή της σκληρότητας δεν επηρεάζει άμεσα το pH του νερού, παρόλο που συνήθως το «σκληρό νερό» είναι ελαφρά αλκαλικό. Η αιτία είναι η μερική αλληλεπίδραση της μη ανθρακικής και της ανθρακικής σκληρότητας.

Χημεία νερού στον καφέ για baristas

Στην χημεία νερού στον καφέ, υπάρχει ένας πολύ χρήσιμος δείκτης που συνδυάζει τις μετρήσεις της αλκαλικότητας, του pH. της σκληρότητας και της θερμοκρασίας ενός διαλύματος σε νερό. Μας δίνει με ακρίβεια την ποσότητα μεταλλικών αλάτων (πουρί) που θα δημιουργηθεί ανά λίτρο νερού που βράζουμε. Ο δείκτης αυτό λέγεται langekier Index (LI) και καθορίζεται από τον τύπο:

LI = pH + 13.12*log(Θερμοκρασία + 273) + log(Σκληρότητα) + log(Αλκαλικότητα) – log(Ολικά διαλυμένα στερεά)/10 – 44.15
(τιμές σε σκληρότητας και αλκαλικότητας σε mg/l ως CaCO₃, τιμές θερμοκρασίας σε βαθμούς κελσίου °C, τιμές TDS σε mg/l)

Επειδή αυτό είναι χημεία για πανεπιστημιακούς… έχω φτιάξει για εσάς, ένα πίνακα για θερμοκρασίες βραστήρα καφέ στους 95°C. Αν έχετε μετρήσει με τεστάκια την αλκαλικότητα και την σκληρότητα, θα βρείτε πόσο γραμμάρια πουρί θα δημιουργηθεί, για κάθε λίτρο νερό που θα βράζεται. Παντα υπό την συνθήκη, ότι το Ph στα φυσικά νερά είναι ελαφρώς αλκαλικό.

Απλοποιημένοι πίνακες LI

Έναν ακόμα πίνακα για θερμοκρασίες βραστήρα 125°C στην περίπτωση δεύτερου μπόιλερ ατμού.

Αν η θερμοκρασία άτμισης δεν είναι ακριβώς αυτή, μπορείτε να προσθέσετε 1-2mg άλατα στους 135. Επίσης να αφαιρέσετε 1-2mg άλατα στους 120, από τις τιμές του πίνακα.

Με αυτόν τον υπολογισμό μπορείτε να αποφασίσετε αν εκτός από το φίλτρο άνθρακα, θα πρέπει να προχωρήσετε σε επιπλέον επεξεργασία νερού. Ακόμα εάν έχετε προβλήματα βλαβών στην καφετιέρα σας. Κάθε πότε θα κάνετε το σέρβις αποκαθαλάτωσης.