Las matemáticas del café perfecto

Debido a que nuestros sistemas educativos no están diseñados para que integremos el conocimiento de las diversas áreas que lo componen, la mayor parte de la sociedad suele pensar que las matemáticas son complicadas y que su aplicación se da exclusivamente en técnicas de ingeniería avanzada y en el desarrollo de complicada tecnología.

Es por esto que difícilmente puede reconocerse su importancia en temas cotidianos como por ejemplo la elaboración de una simple taza de café. Pero lo cierto es que las matemáticas siempre están detrás de lo más común y muchos grupos de investigación científica trabajan para comprender cada vez más de esta bebida compuesta por más de 1800 compuestos químicos.

La búsqueda por la taza perfecta no es un asunto nuevo, pero ahora un equipo internacional se ha reunido para resolver el problema de manera definitiva y descubrieron que con menos granos de café y molidos de forma más gruesa de lo habitual se puede obtener una bebida igual de fuerte pero más barata y uniforme. Su trabajo se publica en la revista Matter.

“En la industria del café se suelen usar muchos granos de café y ajustes de molienda fina para obtener la mezcla de amargor y acidez deseada, pero es impredecible y no sale siempre igual”, dice el coautor Christopher Hendon, químico computacional en la Universidad de Oregon (EE UU). “Suena contraintuitivo –reconoce–, pero nuestros experimentos y modelo indican que podemos tener un buen producto y reproducible simplemente utilizando menos café y moliéndolo más grueso”.

The mathematics of coffee extraction: Searching for the ideal brew
Para crear la taza perfecta, todos los factores se deben considerar. Incluyendo la forma, tamaño y molido de los granos de café | Fuente: Phys.org

Aunque intervienen muchos factores y depende de los gustos, la norma habitual para preparar un expreso es moler una cantidad relativamente grande de granos de café (unos 20 gramos) lo más triturados posible. En principio, cuanto más molidos estén, más superficie queda expuesta al agua caliente y así se supone que aumentará el rendimiento de la extracción, es decir, la fracción de café molido que realmente se disuelve y termina en la bebida final. Pero el asunto no es tan sencillo.

Los investigadores desarrollaron un modelo matemático para explicar este rendimiento en función de variables que puede controlar el barista o experto en café (como la cantidad de agua y café seco, el grosor de los granos y la presión del agua) y compararon sus predicciones con los resultados de diversas preparaciones. Así se comprobó que moliendo tan fino como hace la industria se obstruyó el lecho del café, lo que reducía el rendimiento de la extracción, hacía que se desperdiciara materia prima e introducía variación en el sabor.

Tras muchos cálculos numéricos y miles de ‘tiradas’ de café, el equipo llegó a una receta donde se maximiza la extracción y se logra producir un expreso de sabor similar a otro. Para conseguirlo, una forma es moler más grueso y usar un poco menos de agua, pero otra es simplemente reducir la masa de café.

“Habíamos descubierto que con una masa de 20 g de café seco se podía preparar una sabrosa bebida de 40 g (la miden en gramos en lugar de en mililitros), ajustando una molienda muy fina de 1,3, lo que da lugar a partículas con un diámetro de unas 200 micras”, explica Hendon.

“Pero luego –añade–, tomando esta receta de referencia, comprobamos que al reducir la dosis de café a 15 g se podía aumentar la extracción total del café si se molía en fragmentos mayores, con partículas de unas 250 micras, es decir un 25% más grandes. Conociendo esto, no creo que quieras gastar 20 g de café si puedes obtener una bebida que sabe bien con menos cantidad”.

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Esquema de los granos de cafe (finos y gruesos) rodeados por el agua en el filtro, y distribución gráfica del tamaño de las partículas. / Michael I. Cameron, Jamie M. Foster et al./Matter

Por tanto, los autores consideran que usar 15 gramos de café molidos relativamente gruesos para elaborar una bebida de 40 g es una proporción bastante buena, aunque siempre va a depender del barista o de los gustos del consumidor. Los expresos italianos, por ejemplo, utilizan tan solo 7 gramos de café, pero se sirve en muy poca cantidad en tazas muy pequeñas.

“En realidad nuestra propuesta, más que una única receta, es más bien un concepto”, apunta Hendon, que recomienda a la industria experimentar: “Hay que encontrar la configuración de molienda que permita que el agua entre en contacto de forma uniforme con el café seco. Luego hay que modificar la masa de café o de agua para acceder al perfil de sabor que se desea, siendo capaz de reproducir los resultados y reducir los desechos”.

Una mayor eficiencia en el uso del café ayudará a disminuir sus residuos en un momento en que los suministros desde las áreas de producción históricas están amenazados por el cambio climático. Pero además de los beneficios de sostenibilidad para la industria, aumentar el rendimiento de la extracción a través de las rutas que plantea el modelo también puede generar ganancias económicas.

Por ejemplo, al precio actual de los granos de café tostado, reducir la masa de café seco de 20 a 15 gramos por bebida representaría un ahorro de unos pocos miles de dólares anuales para una cafetería, pero ascendería a 1.100 millones si se considera toda la industria cafetalera de Estados Unidos.

Otra fórmula matemática para la extracción de café | Debido a que es una de las bebidas que más se consumen en el mundo, mejorar su producción significa ahorros económicos y disminución de los efectos ambientales creados por sus residuos.

Respecto a la aplicación del modelo en casa, el químico computacional considera que un usuario medio no se va a dedicar a preparar muchos cafés para determinar el punto más sabroso y estudiar como optimizarlo: “Simplemente comprenderá que existe una rutina para conseguirlo, y que sin ella pueden esperar variaciones en el sabor del café, independientemente de la habilidad del barista”.

En cualquier caso, insiste: “Aunque existen estrategias claras para reducir los residuos y mejorar la reproducibilidad, no existe un punto de expreso óptimo obvio. Existe una tremenda dependencia de las preferencias de la persona que elabora el café. No damos una solución que funcione en todos los casos. Demostramos la variabilidad que existe en la preparación del café y proponemos métodos para superar este problema”.

Un modelo complejo inspirado en la electroquímica 

Respecto al desarrollo del modelo para optimizar la preparación del café no fue una tarea sencilla. En un nivel básico, el rendimiento de extracción depende de cómo fluye el agua bajo presión a través de la masa de café molido. Pero esa masa está compuesta por millones de granos individuales de diferentes formas y tamaños, atascados irregularmente en un único lecho del filtro.

“Se necesitaría más potencia informática que Google para resolver con precisión las ecuaciones físicas y de transporte implicadas en este proceso en una geometría tan intrincada como un lecho de café”, comenta otro de los autores, Jamie M. Foster, matemático de la Universidad de Portsmouth (Reino Unido).

Para superar este obstáculo, los investigadores recurrieron a una curiosa fuente: la electroquímica, comparando cómo la cafeína y otras moléculas se disuelven fuera de los granos con los movimientos que tienen los iones de litio a través de los electrodos de una batería.

Tomar prestada la metodología de los estudios con baterías condujo al modelo riguroso de extracción de café con el que el equipo –integrado también por científicos de Irlanda, Suiza y Australia– ha sido capaz de realizar predicciones potentes y comprobables con experimentos.

Con información de Matter, Phys.org, RTE Irlanda y Agencia SINC. | Selección, edición y comentarios del Colectivo Alterius

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