Однажды, посреди рабочего дня мы внезапно осознали, что мы больше не можем так жить. Душа требовала совершить что-то бессмысленное и беспощадное во имя науки. И мы решили откалибровать кофе-машину. Нормальные люди тыкают в дефолтную кнопку и пьют все, что вытечет из кофеварки. Чуть более продвинутые для этого открывают инструкцию и тщательно ей следуют. Может быть еще читают рекомендации обжарщика, если конечно это не прогорклые noname зерна, которые пару лет лежали на безымянном складе. Нас к нормальным можно отнести с большой натяжкой, поэтому мы решили идти своим путем. Короче говоря, под легкой кофеиновой интоксикацией от седьмой чашки эспрессо мы решили задействовать весь возможный арсенал лаборатории, чтобы получить эталонный напиток.
Добро пожаловать в мир безумия, ультрацентрифуг, спектрофотометрии кофе в специальных планшетах и небольшого количества python, pandas и seaborn, чтобы визуализировать все это безобразие.
Правильная экстракция
Для начала, надо понять, что мы хотим получить. Основной смысл правильной настройки кофеварки в том, чтобы получить сбалансированный профиль экстракции. При этом не меньше половины успеха зависит от правильного зерна, которое было обжарено с соблюдением всех деталей термопрофиля. У хреновых обжарщиков зерна могут быть неравномерной обжарки или с другими дефектами. Но даже идеальный кофе можно превратить в жуткое пойло, если неправильно его приготовить.
Оптимальная температура для классического способа приготовления кофе — 90-95°С. При этом количество зерен должно быть примерно 10-20 г/ 100 мл воды. Также надо учитывать, что процесс экстракции идет неравномерно, от более легких и летучих к менее растворимым компонентам. Вся беда заключается в том, что при выходе за оптимальные значения температуры воды, степени компрессии кофейной таблетки (для эспрессо), степени помола, соотношения кофе к воде или времени мы можем не успеть «вытащить» из зерна все, что нам нужно. Или наоборот захватить чрезмерное количество тяжелых фракций, испортив вкус и баланс напитка. В частности, при гипер-экстракции в чашку попадает избыточное количество хлорогеновых кислот, которые заставляют кофе чрезмерно горчить и сдвигают баланс вкуса в кислую сторону. При недостаточной экстракции будет что-то водянистое и печальное на вкус.
Хининовая и гидроксикоричные кислоты, структурная основа хлорогеновых кислот
Подготовка эксперимента
В автоматической кофе-машине нам доступны для регулировки только два параметра: помол и компрессия. Степень помола определяется механическим вращением регулятора, который устанавливает зазор между жерновами. Компрессия свежесмолотой кофейной таблетки предустановлена и имеет 5 условных уровней сжатия. Наша задача состоит в подборе оптимальных параметров, при которых концентрация и баланс растворенных веществ будут давать идеальный вкус.
Сам кофе для тестирования нам прислали для бесчеловечных экспериментов из Торрефакто, за что им огромное спасибо. Две основные категории: B и C (темная и светлая обжарка в их классификации).
Гондурас Сан-Маркос (источник)
Темная обжарка. Мы как-то уже перешли на среднюю, но для сравнения этот сорт очень достойный вариант. Особенно хорош с молоком, но для наших задач мы будем готовить из него эспрессо. Вкус довольно простой, без тонких нюансов, но очень насыщенный.
Бразилия Ипанема Дульче (источник)
Просто офигительный ароматный сорт, с очень сбалансированным вкусом и сладкой фруктовой кислинкой. Само зерно содержит большое количество углеводов, что и придает легкую сладость.
Для каждого сорта и каждого из пяти уровней сжатия кофейной таблетки выбирается по 8 чашек образцов. Заодно сотрудники лаборатории плюются или радуются полученному результату. Вслепую, естественно. Выбирают оптимальные по вкусу образцы, чтобы потом сравнить с объективными показателями аппаратного исследования.
Глубокая заморозка
Нам себя стало жалко и мы не стали пить 80 чашек кофе за один день. Поэтому образцы маркировались и забрасывались в морозилку. Милая такая морозильная камера, с температурой около -90 градусов. Жрет 4 киловатта, но в итоге внутри даже углекислый газ выпадает в виде снежка на стенках. Идеальный вариант.
Когда все образцы готовы, достаем их из морозильной камеры и кладем в орбитальный шейкер. Да, мне тоже нравится, как это звучит. Почти как орбитальный планетарный лазер, но это просто шейкер. Ждем полной разморозки образцов и заодно все хорошо перемешиваем.
Разливаем по пробиркам и центрифугируем
Для начала надо очень глубокомысленно осмотреть образцы. Без этого чуда не произойдет)
Из больших пробирок забираем микропипеткой кофе и разливаем по маленьким пробиркам для центрифугирования. Каждую пробирку маркируем номером и вносим в отдельный журнал, чтобы потом не перепутать образцы.
Пробирки расставляем в центрифуге строго симметрично для соблюдения баланса. На больших скоростях вращения это критично. После центрифугирования мы получим чистый водный раствор того, что экстрагировалось из кофе, а все микрочастицы, прошедшие через фильтр кофемашины останутся в виде осадка.
Спектрофотометрия
Снова берем микропипетку и разливаем точные дозы образцов по отдельным лункам специального 48-луночного планшета.
В результате образцы красиво распределяются по оттенкам. Сверху вниз идет увеличение степени сжатия и полноты экстракции.
Планшеты загружаются в спектрофотометр FilterMax от Molecular Devices. Там целая куча режимов исследования образца, различные варианты фильтров, лазерных источников излучения и тому подобного. Мы долго думали, что бы такого странного имело смысл измерить на кофе и решили, что измерять ту же флюоресценцию в ультрафиолете довольно бессмысленно. Решили оценить степень поглощения лазерного излучения на длине волны 450 нм. Эта длина волны синего лазера. В принципе, вполне логично. Насыщенный раствор кофе имеет красноватый оттенок и должен хорошо поглощать синюю часть спектра.
В результате мы получили таблицы поглощения для всех наших образцов. Однако было бы неплохо все это наглядно визуализировать. Так как я чаще всего в работе использую python и pandas с seaborn, то и данные мы сохраним в наиболее удобном для загрузки в pandas виде.
medium,level 1,21.31
medium,level 1,20.57
medium,level 1,24.49
medium,level 1,26.95
medium,level 1,20.49
medium,level 1,20.06
medium,level 1,21.22
medium,level 1,23.32
medium,level 2,28.09
medium,level 2,28.27
medium,level 2,23.13
medium,level 2,25.72
medium,level 2,26.75
medium,level 2,26.05
medium,level 2,26.92
medium,level 2,25.92
medium,level 3,32.88
medium,level 3,32.23
medium,level 3,33.13
medium,level 3,28.72
medium,level 3,28.82
medium,level 3,31.49
medium,level 3,32.31
medium,level 3,33.81
medium,level 4,38.68
medium,level 4,40.54
medium,level 4,39.34
medium,level 4,43.3
medium,level 4,41.48
medium,level 4,42.26
medium,level 4,42.73
medium,level 4,42.35
medium,level 5,57.62
medium,level 5,70.62
medium,level 5,70.74
medium,level 5,57.94
medium,level 5,77.62
medium,level 5,76.64
medium,level 5,69.12
medium,level 5,66.39
dark,level 1,27.54
dark,level 1,26.8
dark,level 1,30.72
dark,level 1,33.18
dark,level 1,26.72
dark,level 1,26.29
dark,level 1,27.45
dark,level 1,29.55
dark,level 2,34.32
dark,level 2,34.5
dark,level 2,29.36
dark,level 2,31.95
dark,level 2,32.98
dark,level 2,32.28
dark,level 2,33.15
dark,level 2,32.15
dark,level 3,39.11
dark,level 3,38.46
dark,level 3,39.36
dark,level 3,34.95
dark,level 3,35.05
dark,level 3,37.72
dark,level 3,38.54
dark,level 3,40.04
dark,level 4,44.91
dark,level 4,46.77
dark,level 4,45.57
dark,level 4,49.53
dark,level 4,47.71
dark,level 4,48.49
dark,level 4,48.96
dark,level 4,48.58
dark,level 5,63.85
dark,level 5,76.85
dark,level 5,76.97
dark,level 5,64.17
dark,level 5,83.85
dark,level 5,82.87
dark,level 5,75.35
dark,level 5,72.62
Рисуем графики с python, pandas и seaborn
Для построения графика вначале импортируем наш csv в виде pandas dataframe. После этого с помощью замечательной библиотеки seaborn и функции barplot построим график, сгруппированный по степени обжарки. Для большей контрастности используем палитру «Paired», она очень хороша при сравнении разных групп. Кстати, как вы помните, мы ранжировали образцы по вкусовым качествам. Дегустаторы кофе из нас так себе, но на удивление консенсус был достигнут. Оптимальный вкус у напитка был в том случае, когда степень поглощения на длине 450 нм была в районе 32%. Отрисуем соответствующую линию на графике с помощью plt.axhline.
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import seaborn as sns
df = pd.read_csv("data.csv")
sns.set()
sns.set_style("whitegrid")
sns.set_context("talk")
ax = sns.barplot(x="Compression", y="Absorbance", hue="Roast", data=df, palette="Paired")
ax.set(ylim=(0, 100), xlabel='Compression level', ylabel='Absorbance at 450 nm, %')
plt.axhline(32, alpha=0.4, color='black', linestyle='dashed', label='Optimal concentration')
plt.legend(loc='upper left')
plt.savefig("plot.png", dpi=300)
plt.show()
На графике четко видно, что оптимальная степень сжатия для кофе темной обжарки вторая, а для средней — третья. Помимо этого восхитительного вывода из нашего эксперимента мы видим, что при максимальном сжатии увеличивается разброс в концентрации растворенных веществ между отдельными чашками эспрессо. То ли машина не обеспечивает повторяемость, то ли при такой компрессии начинают значительно влиять такие факторы как длина случайно пробитого канала в кофейной таблетке, по которому протекает горячая вода.
Чтобы сделать окончательно красиво, построим график отклонения нашего параметра от оптимума. Для этого из колонки Absorbance в нашем dataframe вычтем 32 (наш оптимум).
# Subtract optimal value
df['Absorbance'] = df['Absorbance'] - 32
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import seaborn as sns
df = pd.read_csv("data.csv")
# Subtract optimal value
df['Absorbance'] = df['Absorbance'] - 32
sns.set()
sns.set_style("whitegrid")
sns.set_context("talk")
ax = sns.barplot(x="Compression", y="Absorbance", hue="Roast", data=df, palette="Paired")
ax.set(xlabel='Compression level', ylabel='Deviation from optimal concentration')
plt.legend(loc='upper left')
plt.savefig("plot_diverging.png", dpi=300)
plt.show()
Как-то так, бессмысленно и беспощадно, можно получить чашку идеального эспрессо).
P.S. Если смогу найти время, то будет еще пост про скоростную ультразвуковую экстракцию ледяного кофе. Образцы есть, будем творить странное дальше.
Комментарии (127)
gbg
14.07.2017 08:57Возможно, образцы на планшете стоило бы размещать в случайном порядке? Чтобы различные пространственные эффекты (связанные с неидеальностью и неравномерностью установки) не накладывались на результат?
LoadRunner
14.07.2017 09:04+16Как по заголовку узнать автора :)
Что-то про разницу в степени помола не упомянуто. Или это никак не влияет?Meklon
14.07.2017 09:10Он был фиксированный, чтобы выделить влияние только одного фактора. В определенных пределах сжатие и помол могут заменять друг друга с очень похожим результатом.
LoadRunner
14.07.2017 09:29+3То есть полного исследования с перебором всех сочетаний не будет? :(
Meklon
14.07.2017 09:37+2Параметр экстракции оптимальный подобрали. Можно дальше оттюнить на пол-градуса поворот винта жерновов. Но фигня в том, что разброс между чашками при одинаковых настройках больше. Машина не настолько прецизионна.
vconst
14.07.2017 18:01Машина не настолько прецизионна
Значит надо встроить в нее автокалибровку на ардуино и с блютусом обязательно! Все становится лучше, если там есть ардуино и блютус.LynXzp
14.07.2017 21:11И блокчейн. Чтобы степень поглощения / концентрация каждой выпитой чашки попадала в блокчейн.
Ryppka
14.07.2017 09:25+12Класс, в лучших традициях «Анализа напряжений в бретельках вечернего платья».
sergeyns
14.07.2017 10:06+51) Так как лучше готовить кофе?
2) Наглядная иллюстрация ситуации с бигдатой в большом количестве компаний :). Вы бы еще кластер с хадупом развернули для ваших данных ))) (Кстати, возможно что он у вас есть. Или у производителя оборудования. Интересно, кто-нибудь проверял ли научное оборудование на предмет того, не сливает ли оно все полученные данные кому-нибудь...)
3) Ко вкусу кофе все это, боюсь имеет весьма косвенное. Кроме 2х формул весьма «дубовых» веществ из начала статьи, в кофе есть много чего еще летучего. Оно может быть даже сохранится в вашем чудо-холодильнике, но все вылетит при разморозке в шейкере )))Meklon
14.07.2017 10:25+21) Главное выбрать хороший сорт, который обжарили не более недели назад) Собственно, я за это и люблю этого обжарщика. Кофе месячной давности уже теряет даже географические нюансы во многом.
2) Кластер у меня для синхронизации данных исследований, здесь обошлись рабочей станцией. Да, стоило развернуться помощнее.
3) Насчет летучего согласен полностью, но дегустировали его и ставили оценки, когда он был горячий. Только потом отбирали. Пигменты никуда не исчезают и на результат не повлияли. А корреляция между интенсивностью поглощения и вкусом самая прямая, если не готовить его как-то особо извращенно.
Meklon
14.07.2017 10:46+1
Результат получился очень информативный. Средняя обжарка — жмякаешь три зернышка, темная — два. Надо бы инструкцию оформить и на стену повесить.
SeLarin
15.07.2017 00:05+1Даже если оборудование и сливает данные куда-нибудь, толку от RAW-data нет никакого. Надо же знать не только что получилось, но и что именно исследовалось.
jabr
14.07.2017 10:41+2Интересно, кто-нибудь проверял ли научное оборудование на предмет того, не сливает ли оно все полученные данные
Да ладно, главное чтобы кофе не сливало :)
Filex
14.07.2017 10:42+1А чем обычно занимается клиника, в которой вы работаете?
Meklon
14.07.2017 10:43+20Фундаментальная наука. Создание тканеинженерных конструкций на биологических и синтетических каркасах. Стволовые клетки, крысы, которые светятся зеленым и все такое.
norlin
14.07.2017 13:02Реквестую человеческую сетчатку, способную воспринимать УФ и ИК, как минимум! Не зря же ещё и про глазную клинику писали :)
Meklon
14.07.2017 13:05+7Мы, кстати новый лазер купили. Интересно рассказать о нем?
norlin
14.07.2017 13:06Интересно, конечно! Но я всё равно ещё боюсь операцию делать (потому что нет гарантии на результат и оно необратимо).
vlivyur
14.07.2017 13:09Это же риторический вопрос?
Meklon
14.07.2017 13:12Unboxing'а не будет, я не успел сфотографировать, но там его уже развернули. Постараюсь рассказать.
Gryphon88
14.07.2017 13:50+1Расскажите, как правильно не выпускать инженеров-наладчиков из здания, пока прибор не выйдет на режим :) у меня никоновцы постоянно сбегают, а что я делаю не так — не пойму.
Meklon
14.07.2017 13:51+4Берешь ключ…
Gryphon88
14.07.2017 13:55Газовый подойдёт?
Meklon
14.07.2017 14:03+1Только оберни мягкой тряпкой. Ты же не хочешь попортить шкурку?
Gryphon88
14.07.2017 15:02А если серьёзно, вы как-то подчищаете договор поставки, чтобы поставщик не вывалил ящики во дворе, а собрал, полностью протестировал и оставил протокол тестирования, а в случае не прохождения теста в руках сотрудника в течение первых нескольких дней был готов к диалогу, а не затягивал переписку на несколлько недель? И в идеале чтоб пусконаладка за ограниченный сверху срок и фиксированную плату.
Meklon
14.07.2017 15:12+2Это наши юристы страхуются. Но тут фишка в том, что производитель
боевыхмедицинских лазеров сам на этом настаивает. Они за репутацию боятся и не допускают врачей к установке и живым пациентам, пока те сертификацию не пройдут.spc
15.07.2017 00:03Надо мной так редакторы издевались, но я не удержусь: сертифицированный пациент — это круто! :)
SeLarin
15.07.2017 00:08Не знаю у кого как, мы пусконаладку включаем в стоимость договора. Договора преимущественно с авансированием до 30%. Без завершения пусконаладки не подписываем финальный акт и счет на оплату. Но у нас оборудование дешевое в основном (до 10 млн. руб)
Gryphon88
16.07.2017 02:00Хорошо Вам. Вы из госучреждения или частник? У нас (гос) просто заказчик, плательщик и пользователь — три разных в лучшем случае подразделения, могут быть и разные организации. Вот и думаю, чей кабинет пикетировать в следующий раз :)
Забавные традиции установкиНапример, есть такая хорошая компания, Andor Technologies. Они делаю очень хорошие и не очень дорогие камеры, проблема в том, что прогеры у них сидят в Белфасте и поэтому дрова и фирмварь кривой, часто лезут проблемы совместимости (например, нескольких одинаковых камер, работающих под одним софтом) или плавающие ошибки. Если они приезжают на недельку, то потом все обычно работает, а если местные эникеи-дистрибьюторы, то обычно нет.
С Никоном ещё веселее: их голова сидит в Японии, но к белым обезьянам не ездит. Ездят инженеры из европейской головы в Германии, но чаще местные дистрибьюторы. На каждом шаге падает объём доступной документации и соответственно возможности по ремонту. Самое забавное, что даже в Японском офисе достать документацию на оборудование, разработанное в соседнем отделе — целая проблема. Я как-то после конференции зажал заезжего японца-инженера на тему совместимости оборудования, он примерно два часа талабонил на японском по скайпу, пока не смог дать мне ответ по одному моему вопросу, а по другому просто извинился и сказал, что при разработке вот этого объектива никто не сказал инжженерам, что он будет использоваться вот с этим столом.SeLarin
16.07.2017 14:24Мы государственные и бюджетные, но относительно небольшие. Поэтому все этапы закупок более или менее подконтрольны одному человеку.
Fullmoon
14.07.2017 10:42+11Вот это, товарищи, правильные безумные учёные: с предварительно поставленной безумной гипотезой и корректно проведёнными безумными экспериментами. ©
vconst
14.07.2017 10:50+5Ну вы и фрики! :)
Напомнило:
Приготовление кофе в научно-исследовательских учрежденияхСущественную часть времени в лабораториях и кабинетах ученые посвящают приготовлению и потреблению кофе (в Великобритании предпочитают чай). Количество поглощаемого напитка и время, затраченное на поглощение, колеблются от одной чашки и пяти минут в день до нескольких десятков чашек и нескольких часов.
Очень остро ощущается необходимость упорядочить эту деятельность. Настоящая заметка представляет собой первую попытку обобщить богатый опыт, пропадающий в настоящее время втуне.Материалы и методыИспользуются все имеющиеся в продаже сорта кофе (за исключением желудевого и синтетического) тонкого, среднего, нормального и грубого помола, а также в зернах. Варка производится в сосудах из стекла, алюминия или нержавеющей стали, в том числе в лабораторных стаканах, огнеупорных мензурках, цедилках, автоклавах и (был однажды случай) перегонных кубах. Впрочем, используются и обычные кофеварки. Источниками энергии для повышения температуры экстрагирующей воды могут служить пламя газовой горелки, электрический ток, перегретый пар, выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания и реакция окисления алкоголя (не пользуйтесь эфиром – он взрывоопасен). Летом используются охлаждающие системы: холодильники, морозильники, ледяные кубики, сухой лед и жидкий воздух.
Существуют следующие способы варки:
а) «Любительский». Кофе грубого помола высыпается в холодную сырую воду, затем вода доводится до кипения. Осадок тщательно взбалтывается, и полученная суспензия разливается по чашкам. В том, что полученный продукт – действительно кофе, можно убедиться, пожалуй, лишь с помощью фотометрических измерений. Это же относится и к одной несколько более экономичной модификации любительского способа, когда осадок отфильтровывается и сохраняется для повторного использования.
б) «Профессиональный». Вода нагревается до 99°С, добавляется кофе тонкого помола (примерно 1,2 грамма на чашку), жидкость доводится до кипения и снимается с огня. Центрифугировать осадок не обязательно. Полученный напиток имеет тонкий вкус, который иногда удается отбить, добавляя молоко.
в) «Эксперт». Статистическая обработка результатов дегустации позволила сделать важное усовершенствование: вода сперва доводится до кипения, затем пламя уменьшается до минимума, и в воду засыпается кофе (одна ложка на чашку). Все варится 10 секунд, потом отстаивается несколько минут, и можно пить.
г) «Экспресс» (следует отличать от описанного ниже метода «Экспрессо»). Используется быстрорастворимый кофе в сочетании с кипящей или горячей водой по инструкциям, написанным на жестянке. Этот способ имеет два преимущества перед всеми другими: быстрота и отсутствие в этом случае пресловутого «чудного аромата свежего кофе», что позволяет избежать нашествия жаждущих из соседней лаборатории.
д) «Экспрессо». Это название стало уже нарицательным для паровой экстракции, когда перегретый пар пропускается через спрессованный кофейный порошок, а затем охлаждается. Полученный конденсат обладает цветом и запахом кофе. В лабораторных условиях можно использовать экстракционную установку «Сокслет», однако способ этот слишком трудоемок для использования, за исключением тех случаев, когда у вас избыток технического персонала, недостаток идей и вы не можете придумать более разумного способа использовать установку.
shurupkirov
блин, а я все ждал спектрограммы)))
Meklon
У нас железяка узкополосная. В основном для вылавливания концентрации строго известных маркеров и красителей.
LynXzp
Да, без спектра это всего-лишь гик-эротика.