امروزه انواع مختلف قهوه و چای با کیفیت‌های مختلف را می‌توان در بازار یافت. این امر تعیین خلوص و کیفیت قهوه را به کاری مشکل تبدیل کرده است. به همین دلیل استفاده از ابزارهای تخصصی برای ارزیابی کیفیت، غلظت و محتوای قهوه و چای رواج زیادی یافته است. از طرف دیگر، گاهی لازم است این ارزیابی‌ها در خطوط تولید و به صورت آنلاین انجام شود.
استفاده از انواع مختلف رفرکتومتر راه حل نوینی برای حل این مشکلات است. دقت بالا و سهولت استفاده، رفرکتومتری را در سال‌های اخیر به روش بسیار محبوبی تبدیل کرده است. در مطالب قبل وبلاگ پریسماتک به بررسی انواع رفرکتومتر، رفرکتومتر رب، رفرکتومتر عسل، کاربرد رفرکتومتر در صنایع غذایی، صنایع لبنی و آزمایشگاه‌های طبی پرداختیم. همچنین نحوه کالیبراسیون رفرکتومتر را بیان کردیم. در این مطلب از وبلاگ پریسماتک قصد داریم به بررسی رفرکتومتر قهوه و چای بپردازیم. تا انتهای مطلب با ما همراه باشید.
در مقاله این لینک اصول کار رفرکتومتر را به صورت کامل توضیح دادیم و به این موضوع پرداختیم که رفرکتومتر تجهیری نوری است که قادر به اندازه‌گیری ضریب شکست مواد مختلف است. هنگامی که نور از محیط با تراکم بالا به محیط با تراکم کمتر منتقل می‌شود، سرعت آن تغییر می‌کند. این تغییر سرعت منجر به تغییر مسیر حرکت نور و اصطلاحا شکسته شدن پرتوهای نور می‌شود.
مقدار ضریب شکست مواد مختلف را می‌توان با رفرکتومتر اندازه‌گیری کرد. از روی ضریب شکست می‌توان به سایر مشخصه‌های فیزیکی مواد، مانند غلظت و بریکس آنها نیز دست یافت. برای محاسبه ضریب شکست از قانون اسنل استفاده می‌شود که به صورت زیر است:
بنابراین با محاسبه زاویه پرتوهای نور، ضریب شکست مواد را می‌توان محاسبه کرد. یک مفهوم مهم دیگر نیز برای درک طرز کار رفرکتومتر وجود دارد که به آن زاویه بحرانی یا critical angle می‌گویند. با افزایش زاویه تابش نور، زاویه شکست نور نیز افزایش می‌یابد.
در یک زاویه تابش خاص، زاویه شکست به ۹۰ درجه می‌رسد که بیشترین مقدار ممکن برای زاویه شکست است. در این مقدار خاص که به زاویه بحرانی شناخته می‌شود، اشعه نور به صورت موازی با سطح به مسیر خود ادامه می‌دهد. با افزایش زاویه تابش از مقدار بحرانی، منجر به انعکاس نور از مرز دو محیط خواهد شد. به این حالت بازتاب داخلی کلی (Total Internal Reflection) می‌گویند. این مفهوم در تصویر زیر و در قسمت A نشان داده شده است.
طرز کار رفرکتومتر بدین صورت است که ابتدا پرتوهای نوری از یک LED ساطع می‌شوند. این پرتوها پس از عبور از مرز مشترک یک منشور با ضریب شکست بالا (معمولا از جنس یاقوت کبود مصنوعی) و محلول مورد آزمایش، دچار شکست می‌شوند. به این دلیل که برخی از پرتوها دچار Total Internal Reflection می‌شوند، روی سنسور CCD، یک ناحیه روشن تشکیل می‌شود. همچنین پرتوهایی که دچار شکست می‌شوند، یک ناحیه تاریک ایجاد می‌کنند. اگر از محل صحیح مشاهده شود، زاویه بحرانی به صورت محل گذار بین مناطق تیره و روشن در تصویر B مشخص می‌شود.
با دانستن ضریب شکست منشور (nA) و نیز زاویه شکست θB در زاویه بحرانی، ضریب شکست محلول (nB) را می‌توان به دست آورد.
این قواعد معمولا اساس کار تمام رفرکتومترها هستند. برای تعیین دقیق ضریب شکست یک محلول باید به چند مورد دیگر نیز توجه کرد. ضریب شکست یک محلول به دما و نیز طول موج نور مورد استفاده در اندازه‌گیری وابستگی بالایی دارد. بنابراین به منظور سنجش دقیق ضریب شکست باید به کنترل یا جبران‌سازی تغییرات دما و طول موج نور نیز توجه کرد.
همان طور که در بخش قبل بیان کردیم، با استفاده از رفرکتومتر می‌توان ضریب شکست و در نتیجه غلظت محلول را نیز اندازه‌گیری کرد. رفرکتومتر قهوه می‌تواند کل ذرات جامد محلول (Total Dissolved Solids) یا TDS را اندازه بگیرد. حال با استفاده از TDS می‌توانیم درصد استخراج یا عصاره‌گیری (extraction) را مشخص کنیم.
بر اساس تعریف، می‌توان گفت TDS ذرات جامد موجود در محلول از جمله مواد ارگانیک و نمک‌های غیرارگانیک مانند منیزیم و کلسیم است که به صورت درصدی از جرم محلول بیان می‌شود. بسته به نوع کاربرد، بالا بودن مقدار TDS می‌تواند امری مفید یا غیرمفید تلقی شود.
در مورد قهوه، TDS نشان‌دهنده سطح استخراج قهوه (مقدار ذرات جامد قهوه موجود در واحد آب) یا به سادگی قدرت (strength) هر فنجان قهوه است. هرچه قهوه طعم قوی‌تری باشد، مقدار TDS بالاتری دارد. در حالی که یک فهوه ضعیف، احتمالا TDS کمتری دارد.
مقدار TDS کاربردهای مختلفی دارد. از TDS قهوه در مسابقات و ارزیابی‌ها به عنوان معیاری برای مقایسه بین قهوه‌های تولیدشده استفاده می‌شود. برای برشته‌کنندگان قهوه (roasters) برای اطلاع از سطح حل‌شوندگی محصول و اهداف کیفیت کیفیت استفاده می‌شود. در کافی‌شاپ‌ها نیز از معیار TDS برای اطمینان از ثبات در استخراج عصاره قهوه در طول سرویس‌های روزانه استفاده می‌شود.
بهترین و دقیق‌ترین روش اندازه‌گیری TDS استفاده از رفرکتومتر قهوه است. انواع مختلف رفرکتومتر آنالوگ و دیجیتال برای اندازه‌گیری بریکس و TDS محلول‌ها وجود دارند. رفرکتومترهای دیجیتال خود به سه دسته پرتابل، اینلاین و آزمایشگاهی تقسیم‌بندی می‌شوند. در هر کاربرد از یکی از انواع رفرکتومتر بسته به شرایط خاص آن کاربرد استفاده می‌شود. پس از محاسبه TDS توسط رفرکتومتر، حال درصد استخراج قهوه از طریق رابطه زیر به دست می‌آید:
Extraction % = Brewed coffee (g) TDS (%) / Dose (g)
بر اساس رابطه فوق، با تقسیم درصد TDS بر دز محلول قهوه می‌توان به درصد استخراج آن رسید. بنابراین، اندازه‌گیری TDS معیاری دقیق و قاطع برای کنترل درصد استخراج در اختیار افراد قرار می‌دهد. بهبود این معیار تاثیر مستقیمی بر طعم و مزه قهوه می‌گذارد.
هدف اصلی در فرایند تهیه قهوه باید این باشد که به بالاترین درصد استخراجی برسیم که در آن قهوه هنوز مزه خوبی دارد. درصد استخراج مطلوب معمولا بین ۱۸ تا ۲۲٪ است. درصد TDS مطلوب نیز بین ۱.۱۵ تا ۱.۳۵٪ است.
این حال، هر قهوه ویژگی‌های خاص خود را دارد. بدون توجه به این ویژگی‌ها، فقط با قرار دادن درصد استخراج در این بازه نتیجه خوبی به دست نمی‌آید. همچنین ذکر این نکته نیز مهم است که نرسیدن به یک درصد استخراج و عصاره‌گیری منطقی، گاهی می‌تواند نشان‌دهنده وجود مشکلی در مرحله برشته کردن قهوه، آب مورد استفاده و یا تجهیزات قهوه‌ساز مانند سبد فیلتر، آسیاب و یا حتی فشار و دمای آب باشد. با این حال، در بیشتر موارد، معیار درصد TDS به عنوان یک منبع اطلاعات دقیق برای بهبود کیفیت قهوه در نظر گرفته می‌شود.
تمرکز بیش از حد روی درصد TDS قهوه می‌تواند یک دام جدی باشد و باعث شود از توجه به سایر پارامترهای مهم در قهوه غافل شویم. آنالیز آب را هم باید مد نظر قرار داد. SCAA معیارهای مشخصی را برای قرائت TDS آب جوش توصیه می‌کند. این معیارها، یک رقم خوب و قابل اندازه‌گیری برای اطمینان از سالم بودن آب ارائه می‌دهند. مسئله مهم دیگر این است که باید مواردی مانند سختی کلسیم، قلیایی بودن، کلر و سطوح سدیم را نیز در نظر بگیرد.
می‌توان تنها با حل کردن نمک در آب مقطر به TDS مورد نیاز برای آب رسید، اما این باعث نمی‌شود که برای دم کردن قهوه مناسب باشد. بنابراین، باریستاها و برشته‌کنندگان باید به یاد داشته باشند که هدف واقعی آنها رسیدن به درصد استخراج نیست، بلکه تهیه یک قهوه خوشمزه است. اگر TDS به درستی استفاده شود، می‌تواند یک دارایی عالی برای هر متخصص قهوه باشد.
درجه بریکس (°Bx) واحد دیگر اندازه‌گیری مواد جامد محلول است که برای تخمین شکر موجود در یک محلول در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عبارت دیگر، درجه بریکس نشان‌دهنده غلظت ساکارز حل‌شده در آب است. درجه بریکس سطح مواد قندی موجود در مواد مختلف مانند سبزیجات، میوه‌ها، نوشیدنی‌ها و سایر مواد غذایی را نشان می‌دهد. برای اندازه‌گیری درجه بریکس نیز، مانند TDS، به رفرکتومتر نیاز است. اما برخلاف TDS، درجه بریکس را با رفرکتومترهای ارزان قیمت‌تر نیز می‌توان اندازه‌گیری کرد.
بر اساس مقالات، درجه بریکس دارای رابطه تقریبا خطی با TDS در قهوه است. بنابراین می‌توان با اندازه‌گیری درجه بریکس نیز مقدار TDS قهوه را به دست آورد. بنا به ماهیت اندازه‌گیری بریکس، اگر محلول دارای مواد حل‌شده دیگری به غیر از ساکارز باشد، در این صورت درجه بریکس نشان‌دهنده مواد جامد موجود در محلول است. بنابراین، از نظر تئوری می‌توان از درجه بریکس به عنوان مقداری برای محاسبه TDS یک محلول استفاده کرد. رابطه بین این دو معیار به صورت آماری با آنالیز رگرسیون خطی اثبات شده است. به صورت تقریبی، رابطه بین درجه بریکس و TDS به صورت زیر است:
TDS% = 0.85 x °Bx
بنا بر رابطه فوق، یک قهوه که دارای ۱۰ درجه بریکس باشد، مقدار TDS آن حدودا ۸.۵٪ است. همچنین TDS یک قهوه با ۲ درجه بریکس، حدود ۱.۷٪ خواهد بود.
البته باید به این نکته توجه کرد که استفاده از رابطه فوق برای تقریب TDS از روی درجه بریکس در رفرکتومترهای چشمی، دارای خطای 0.2± درجه بریکس یا ٪0.17± TDS نسبت به رفرکتومترهای دیجیتال است. همین امر می‌تواند موجب محدودیت‌هایی در کاربرد رفرکتومترهای چشمی برای مقایسه بین قهوه‌های با TDS نزدیک به هم شود. اما دقت رفرکتومترهای دیجیتال بسیار بالا است و کاربرد گسترده‌ای برای مقایسه بین قهوه‌های مختلف با همدیگر دارند.
به عنوان یک معیار مقایسه، TDS فیلترهای مختلف قهوه، اغلب بین ۱ تا ۲٪ متغیر است. به همین دلیل، ممکن است شناسایی تفاوت در TDS یک مجموعه از پارامترهای دم کردن به دیگری با استفاده از رفرکتومتر Brix دشوارتر باشد. از سوی دیگر، اسپرسوها اغلب محدوده بزرگتری از TDS٪، بین ۷ تا ۱۳٪، دارند. در نتیجه استفاده از رفرکتومتر Brix برای شناسایی تفاوت‌ها روشی ساده و عملی خواهد بود.
قهوه و چای را می‌توان در تمام دنیا پرمصرف‌ترین نوع نوشیدنی بعد از آب به شمار آورد. قهوه و چای را به صورت سنتی با جوشاندن دانه‌های قهوه و یا برگ‌های چای آماده می‌کنند. امروزه چای و قهوه را می‌توان به صورت چای کیسه‌ای و قهوه فوری نیز تهیه کرد که تهیه و مصرف آنها سریع‌تر و آسان‌تر است.
قهوه فوری را از طریق فرایند عصاره‌گیری قهوه (coffee extraction) تولید می‌کنند. دانه‌های قهوه در آب جوشانده می‌شوند تا مواد جامد محلول آنها استخراج شود. سپس عصاره قهوه را تغلیظ کرده و با spray drying یا freeze drying خشک می‌کنند. معمولا استفاده از دستگاه spray dryer ترجیح داده می‌شود. زیرا قادر به تولید ذرات ریز‌تر و گردتری است. در spray dryer قهوه تغلیظ شده با نازل اتمیزه شده و هوای گرم به برج تزریق می‌شود تا قطرات را به ذرات تبدیل کند.
مقداری از قهوه با هوا از برج خارج می‌شود. این ذرات قهوه از یک فیلتر می‌گذرند تا مجددا بازیابی شوند. قهوه در بخار حل می‌شود و عصاره قهوه مایع بازیابی شده به فرایند بازگردانده می‌شود. برگی‌های چای نیز فرایند مشابهی را طی می‌کنند. این مراحل به ترتیب عبارتند از: عصاره‌گیری، تغلیظ و خشک کردن. دشوارترین کار در تولید چای کیسه‌ای و قهوه فوری، حفظ عطر و رایحه آن است.
در مراحل مختلف تولید قهوه فوری، می‌توان از رفرکتومتر اینلاین پریسماتک برای اندازه‌گیری دقیق غلظت مواد جامد محلول استفاده کرد. اولین مورد کاربرد رفرکتومتر اینلاین پریسماتک به عنوان شاخص دقیق، قابل اعتماد و real-time راندمان استخراج و عصاره‌گیری مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای این منظور، رفرکتومتر باید پس از مرحله عصاره‌گیری نصب شود. بازه اندازه‌گیری متداول این مرحله از ۰ تا ۳۰ بریکس و دمای نرمال فرایند ۵ درجه سانتی‌گراد است. شستشوی منشور با آب گرم پرفشار نیز در این فرایند توصیه می‌شود. در تصویر زیر محل نصب رفرکتومتر قهوه اینلاین در فرایند تولید قهوه فوری نشان داده شده است.
در مرحله تغلیظ، از رفرکتومتر برای اطمینان از این امر استفاده می‌شود که غلظت مورد نظر به خشک‌کن منتقل شود. پس دومین رفرکتومتر را می‌توان پس از دستگه تغلیظ نصب کرد. همین امر منجر به صرفه‌جویی در مصرف انرژی نیز می‌شود. تغلیظ یک فرایند سه مرحله‌ای است. مراحل تغلیظ عبارتند از: ۱۰ تا ۲۰٪ ماده خشک، ۱۵ تا ۳۰٪ ماده خشک و ۳۵ تا ۶۵٪ ماده خشک. تحت شرایط نرمال، دمای فرایند برابر با ۵۲ تا ۸۲ درجه سانتی‌گراد است. در خروجی مرحله تغلیظ نیز استفاده از شستشوی منشور توصیه می‌شود.
سومین رفرکتومتر نیز برای اندازه‌گیری غلظت ذرات قهوه فوری بازیابی شده بعد از فیلتراسیون است. بازه معمول اندازه‌گیری در این مرحله ۸ تا ۲۰ بریکس و دمای نرمال فرایند ۷۵ تا ۸۵ درجه سانتی‌گراد است.
شرکت پریسماتک تولید کننده انواع رفرکتومترهای دیجیتال اینلاین، پرتابل و آزمایشگاهی است. برای مشاهده کاتالوگ و جزئیات بیشتر، به لینک‌های زیر مراجع کنید و یا با شماره‌های شرکت پریسماتک تماس بگیرید تا مشاوران ما به شما در انتخاب رفرکتومتر مناسب کمک کنند:
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:
فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد
رفرکتومتر رب ــ کاربرد رفرکتومتر اینلاین در تولید رب و سس
فلومتر کوریولیس ــ از صفر تا صد
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
