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Si stima che ogni giorno se ne consumano 2,25 miliardi di tazze in tutto il mondo e il suo valore di mercato si aggira intorno ai 100 miliardi annui. Stiamo parlando del caffè, una bevanda molto amata, soprattutto in Italia. Come riuscire a tostare al meglio i chicchi di caffè, in modo da ottenere un gusto delizioso?
Durante la tostatura, i chicchi di caffè parzialmente essiccati hanno un colore che passa dal verde al giallo a varie tonalità di marrone, a seconda della durata della tostatura stessa. Una volta che il contenuto di umidità residuo all’interno del chicco si asciuga nella fase di ingiallimento si sviluppano aromi e sapori determinanti. Le reazioni chimiche che producono questi tratti così desiderabili del caffè sono però molto complesse e finora non ben comprese. Chiamate “reazioni di Maillard”, le reazioni di imbrunimento legate allo sviluppo di aromi e sapori comprendono una vasta rete di reazioni chimiche individuali.
Recentemente, un gruppo di scienziati della Queensland University of Technology ha proposto, in questo articolo, un modello matematico per la descrizione delle reazioni di Maillard. Gli scienziati, guidati da Nabil Fadai, hanno utilizzato il concetto di Distributed Activation Energy Model (DAEM), originariamente sviluppato per descrivere la pirolisi del carbone. In modo simile alle reazioni di Maillard, la pirolisi del carbone coinvolge un gran numero di reazioni chimiche che avvengono in parallelo: utilizzando il DAEM, si può arrivare a una semplificazione generale, con una singola velocità di reazione globale che descrive il processo complessivo. L’efficacia del DAEM, però, dipende dalla conoscenza in anticipo della distribuzione delle singole reazioni chimiche: purtroppo, le distribuzioni complessive associate alle reazioni chimiche di Maillard sono sconosciute, ma si può ragionevolmente avvicinarsi alla cinetica di reazione della maggior parte del gruppo delle reazioni di Maillard.
Tuttavia, l’approccio che si basa sul DAEM (ai gruppi di reazione chimica) funziona solo quando le reazioni avviene parallelamente l’una all’altra. Per questo motivo, gli scienziati hanno esaminato un processo semplificato di reazioni che coinvolgono zuccheri (legati alla formazione di prodotti Maillard) e altri gruppi separati di reazioni. Nello specifico hanno analizzato come il saccarosio prima si idrolizza in zuccheri riducenti, i quali a loro volta diventano prodotti di Maillard o prodotti di caramellizzazione. Per trattare nel modello – che è stato chiamato Sugar Pathway Model – il contenuto di umidità locale e la temperatura del chicco, due variabili che cambiano in modo cruciale le reazioni chimiche che possono verificarsi durante la tostatura, gli scienziati hanno usato la fisica multifase per descrivere come si evolvono i componenti solido, liquido e gassoso all’interno del chicco di caffè.
Il modello Sugar Pathway ha dimostrato di fornire una ragionevole comprensione qualitativa su come modellizzare le reazioni chimiche chiave che si verificano nel chicco di caffè durante la tostatura: in questo modo, i ricercatori industriali potranno in futuro utilizzare questi modelli matematici multifase per arrivare a un metodo economico ed efficiente per determinare le caratteristiche che entrano in gioco all’interno di un chicco di caffè durante una tostatura che mira a ottenere varie configurazioni di torrefazione.

Fonte: The influence of distributed chemical reaction groups in a multiphase coffee bean roasting model

IMA Journal of Applied Mathematics, hxy023, https://doi.org/10.1093/imamat/hxy023

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