ВАКУУМНЫЙ ПРОЦЕССОР ДЛЯ КОФЕ-МАШИН И СПОСОБ ЗАВАРКИ КОФЕ НА ОСНОВЕ ЭТОГО УСТРОЙСТВА
VACUUM PROCESSOR FOR COFFEE MACHINES AND COFFEE BREWING METHOD BASED ON THIS DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Заявленное изобретение относятся к устройствам, предназначенным для оснащения кофе-машин с целью оказания на помещенные в них молотые кофейные зерна различных воздействий, ведущих к увеличению потребительской привлекательности кофе, которая во многом определяется экстракцией биологически активных веществ. Различные воздействия позволяют добиться разной степени экстракции. В заявленном изобретении в качестве такого воздействия предложено использовать предварительную откачку воздуха из микропор молотых кофейных зерен перед заваркой. Заявленное изобретение может быть использовано как в системах общественного питания, так и в домашних условиях.
Предшествующий уровень техники
Простейшие кофе-машины появились в начале 19 века. В основном, они автоматизировали процесс заварки молотых кофейных зерен горячей водой при атмосферном давлении. Затем посыпались предложения оказывать на кофейные зерна, горячую воду и на заваренный кофе различные дополнительные воздействия. Устройства для оказания этих воздействий удобно называть процессорами.
Например, устройство, обеспечивающее изменение давления или температуры горячей воды перед ее подачей на молотые кофейные зерна, удобно называть водяным процессором. Следует отметить, что именно водяной процессор претерпел наибольшие изменения в ходе совершенствования кофе-машин. В результате в конце 19 века появились эспрессо кофе-машины. История появления эспрессо кофе-машин изложена в литературе, например, в книге Berstenlan, CoffeeFloatsTeaSinks: ThroughHistoryandTechnologytoaCompleteUnderstanding, HelianBooks, 1993. Главной особенностью водяного процессора эспрессо кофе-машин является обеспечение повышенного давления горячей воды и поддержание ее температуры в заданных пределах. В наше время наиболее востребованными считается давление на уровне выше 9 атмосфер и температура в пределах 88-93 градуса Цельсия. Умеренно высокая температура способствует сохранению биологически активных веществ, а высокое давление способствует повышению их экстракции.
Помимо водяных процессоров появились паровые и воздушные процессоры, которые обеспечивают предварительную обработку кофейного сырья водяным паром и горячим воздухом непосредственно перед заваркой. Считается, что такая обработка придает напитку особенно привлекательный вкус.
Получили распространение процессоры, которые обеспечивают помол жареных кофейных зерен непосредственно перед заваркой. Считается, что такие мельничные процессоры позволяют сохранить в молотых кофейных зернах биологически активные вещества, обладающие повышенной летучестью.
Довольно широкое распространение получили процессоры, которые обеспечивают подмешивание к готовому напитку различных добавок, например сиропов или сливок. Считается, что изменение вкуса получаемого напитка благодаря подмешивающим процессорам дополнительно привлекает потребителей.
Особое место среди кофе-машин занимают Nespresso кофе-машины, которые при помощи капсульных процессоров обеспечивают заварку молотых кофейных зерен, предварительно отобранных, подготовленных и упакованных в стандартные компактные капсулы. Считается, что капсулы и капсульные процессоры позволяют существенно упростить и автоматизировать процесс приготовления кофе.
Аналоги и прототип
В отношении заявленного изобретения особый интерес представляют процессоры, которые перед заваркой обеспечивают предварительную обработку молотых кофейных зерен паром и (или) горячим воздухом. Эти устройства можно считать наиболее близкими к заявленному изобретению. Из них выделяются аналоги: RU 2086169, US 5337652, US 4204465, СА 1099123, DE 2946822, US 4632024, US 4137833, GB 920387, US 6711988, US 9398826, US 9486107.
Прототипом заявленного изобретения можно считать изобретение US 5337652. Это эспрессо-машина с комбинированным водяным процессором, обеспечивающим предварительную обработку кофейного сырья смесью водяного пара и горячего воздуха и последующую заварку горячей водой под давлением. Недостатком прототипа можно считать то, что он не в полной мере использует особенности микроструктуры молотых кофейных зерен для повышения экстракции биологически активных веществ.
Микроструктура молотых кофейных зерен
Исследования последних лет наглядно подтвердили, что кофейное сырье имеет пористую микроструктуру (PittiaP. atal, EvaluationofmicrostracturalpropertiesofcoffeebeansbysynchrotronX-raymicrotomography: amethodologicalapproach, JournalofFoodScience, 2011 Мат.). Перед заваркой микропоры кофейного сырья заполнены воздухом. Для того, чтобы проникнуть вглубь микропор, горячая вода должна выдавить этот воздух. Чем глубже сжатый воздух позволит горячей воде проникнуть внутрь микропор, тем выше будет эффективная площадь контакта горячей воды с кофейным сырьем и тем выше будет степень экстракции биологически активных веществ. Это обстоятельство объясняет, почему повышение давления горячей воды в эспрессо-машинах способствует повышению экстракции биологически активных веществ.
В прототипе для повышения экстракции биологически активных веществ используется повышение давления горячей воды. Представляется, что это является не единственным воздействием, обеспечивающим повышение проникновения горячей воды внутрь микропор. Использование другого воздействия, отдельно или совместно с повышением давления, может обеспечить дальнейшее повышение экстракции биологически активных веществ и расширение вкусового диапазона готового кофе.
Раскрытие изобретения
Задачей заявленного изобретения является повышение экстракции биологически активных веществ в ходе заварки молотых кофейных зерен.
Техническим результатом решения этой задачи будет получение кофе с повышенной потребительской привлекательностью за счет расширенного вкусового диапазона, обусловленного дополнительно экстрагированными биологически активными веществами.
Решение поставленной задачи достигается тем, что кофе-машина оснащается вакуумным процессором, обеспечивающим откачку воздуха из микропор молотых кофейных зерен перед заваркой горячей водой. При прочих равных условиях отсутствие воздуха позволяет горячей воде проникать значительно глубже внутрь микропор. Это увеличивает эффективную площадь поверхности взаимодействия горячей воды с материалом молотых кофейных зерен и ведет к увеличению экстракции из них биологически активных веществ.
Заявленный вакуумный процессор предназначен для оснащения кофе-машин, в том числе эспрессо кофе-машин, снабженных герметичной заварочной камерой, в которой предусмотрено герметически плотное посадочное место для установки сменного кофейного контейнера с фильтром, заполненного молотыми кофейными зернами. По герметически плотному посадочному месту герметичная заварочная камера разделена на верхнюю и нижнюю полости. Верхняя полость заварочной камеры соединена с водяной магистралью с запорным клапаном, предназначенной для подачи горячей воды от водяного процессора кофе-машины к сменному кофейному контейнеру. Нижняя полость заварочной камеры соединена с кофейной магистралью с запорным клапаном, предназначенной для отвода готового кофе.
Собственно вакуумный процессор состоит из вакуумного насоса и насосной вакуумной магистрали, на которой установлен запорный клапан. Насосная вакуумная магистраль соединяется с верхней или нижней полостью герметичной заварочной камеры и предназначена для отвода из нее воздуха к откачивающему воздух вакуумному насосу.
Вакуумный процессор можно усовершенствовать, оснастив его вакуумным компенсатором, представляющим собой вакуумный сосуд, установленный на насосной вакуумной магистрали между запорным клапаном и вакуумным насосом. Вакуумный сосуд должен иметь объем, который позволяет гасить колебания при переходных процессах, возникающих в начале и при прекращении откачки воздуха из герметичной камеры кофе-машины.
Вакуумный процессор можно усовершенствовать, дополнив его вспомогательным вакуумным контуром с запорным клапаном, соединяющим верхнюю и нижнюю полости заварочной камеры кофе-машины. При открытом запорном клапане этот вспомогательный вакуумный контур позволяет откачивать воздух из обеих полостей одновременно, сокращая время откачки воздуха из молотых кофейных зерен. При закрытом запорном клапане этот вспомогательный вакуумный контур не создает препятствий для заварки молотых кофейных зерен горячей водой.
Вакуумный процессор можно усовершенствовать, увеличив проходные сечения магистралей и запорных клапанов до значений, сокращающих время откачки воздуха из микропор молотых кофейных зерен настолько, что напор бурно выходящего воздуха раздвинет стенки микропор, увеличивая площадь их внутренней поверхности и площадь ее контракта горячей водой.
Способ вакуумного приготовления кофе, предусматривающий использование заявленного вакуумного процессора, состоит из следующей последовательности действий:
- в герметичную заварочную камеру кофе-машины устанавливается сменный кофейный контейнер с фильтром, заполненный молотыми кофейными зернами;
- запираются запорные клапаны на водяной и кофейной магистралях кофе-машины;
- открывается запорный клапан на насосной вакуумной магистрали вакуумного процессора;
- приводится в действие вакуумной насос, создающий вакуум в заварочной камере;
- в заварочной камере поддерживается вакуум в течение времени, необходимого для откачки воздуха из микропор в молотых кофейных зернах;
- выключается вакуумный насос и запирается запорный клапан на насосной вакуумной магистрали вакуумного процессора;
- открываются запорные клапаны на водяной и кофейной магистралях кофе-машины;
- в сменный кофейный контейнер с фильтром подается горячая вода;
- в сменном кофейном контейнере происходит заварка, в ходе которой, благодаря предварительной откачке воздуха, горячая вода проникает гораздо глубже внутрь микропор, пронизывающих молотые кофейные зерна, чем при других способах приготовления кофе, при прочих равных условиях;
- по кофейной магистрали кофе-машины от сменного кофейного контейнера через фильтр отводится готовый кофе, обогащенный биологически активными веществами и обладающий расширенным вкусовым диапазоном.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема базового исполнения эспрессо кофе-машины, оснащенной заявленным вакуумным процессором.
Осуществление изобретения
В базовом исполнении вакуумный процессор (ВП) встроен в конструкцию эспрессо-машины.
В эспрессо-машине молотые кофейные зерна помещены в сменный кофейный контейнер 1, оснащенный фильтром 2. Сменный кофейный контейнер 1 установлен в герметичной заварочной камере 3 на уплотнении 4. Для помещения сменного кофейного контейнера 1 в заварочную камеру предусмотрено уплотнение 5. Заварочная камера разделена на верхнюю и нижнюю полости по уплотнению 5. Для подвода к верхней полости заварочной камеры 3 горячей воды от водяного процессора предусмотрена водяная магистраль 6. Для отвода от нижней полости заварочной камеры готового напитка предусмотрена кофейная магистраль 7. По кофейной магистрали 7 готовый напиток подается потребителю 8. Магистрали 6 и 7 оснащены запорными клапанами 9. Водяной процессор эспрессо-машины состоит из сосуда высокого давления (проточной барокамеры) 10, оснащенного предохранительным клапаном 11. Сосуд высокого давления 11 частично заполнен технологической водой 12, которая подогревается теплообменником 13. Вода для приготовления кофе подается в магистраль 6 под высоким давлением при помощи насоса 14. На магистрали 6 предусмотрен теплообменник 15, который передает тепло от технологической воды 12 к воде для приготовления кофе.
Основной контур вакуумного процессора ВП состоит из вакуумного насоса 16, вакуумного компенсатора 17, отводной вакуумной магистрали 18 с запорным клапаном 19 и насосной вакуумной магистрали 20. Отводная вакуумная магистраль 18 связывает заварочную камеру 3 с вакуумным компенсатором 17, а насосная вакуумная магистраль 20 связывает вакуумный компенсатор 17 с вакуумным насосом 16. Вспомогательный контур вакуумного процессора ВП состоит из соединительной вакуумной магистрали 21 с запорным клапаном 22. Соединительная вакуумная магистраль 21 связывает верхнюю и нижнюю полости заварочной камеры 3 и обеспечивает интеграцию вакуумного процессора ВП в кофе-машину. Запорный клапан 22 позволяет откачивать воздух одновременно из обеих полостей заварочной камеры, но при подаче горячей воды в верхнюю полость закрывается и препятствует ее попаданию в нижнюю полость, минуя сменный кофейный контейнер 1.
В начале цикла приготовления кофе в сменный кофейный контейнер 1 помещаются молотые кофейные зерна. Сменный кофейный контейнер 1 плотно устанавливается в заварочную камеру 3 по уплотнению 4, после чего заварочная камера 3 герметизируется по уплотнению 5. В водяном процессоре готовится горячая вода для приготовления кофе. Запорные клапаны 9 и 19 перекрыты.
Затем вступает в действие вакуумный процессор ВП. Обратный клапан 22 открыт.Вакуумный насос 19 откачивает воздух из вакуумного компенсатора 17 и вакуумных магистралей 18 и 20. Открывается запорный клапан 19 и вакуумируются обе полости заварочной камеры 3, соединительная вакуумная магистраль 21, часть водяной магистрали 6 и часть кофейной магистрали 7, до запорных клапанов 9. Воздух выходит из микропор кофейного сырья.
По окончании вакуумирования запорный клапан 19 закрывается, а запорные клапаны 9 открываются. Горячая вода по магистрали 6 начинает поступать в верхнюю полость заварочной камеры 3. Поскольку в первый момент этого процесса в заварочной камере был вакуум, то часть горячей воды испаряется. Запорный клапан 22 перекрывается. Паро-водяная смесь начинает поступать на молотые кофейные зерна и заполнять их микропоры. Затем давление в верхней полости заварочной камеры повышается и уже под повышенным давлением горячая вода продолжает проникать внутрь микропор молотых кофейных зерен.
Проходя через молотые кофейные зерна, горячая вода вбирает себя биологически активные вещества и через фильтр 2 поступает в нижнюю полость заварочной камеры, а затем в отводную кофейную магистраль и далее к потребителю.