Dans les derniers lesson de notre Science de la torréfaction course, nous avons exploré le front d’évaporation qui se forme à l’intérieur des grains de café lors de leur torréfaction. Dans la torréfaction du café, ce phénomène a un statut presque mythique. Il a même été présenté comme une cause possible de première fissure, mais il existe très peu d'études directes sur ce sujet et beaucoup de conjectures. 

Dans cet article, nous examinerons de plus près ce que nous savons sur la façon dont l'humidité s'évapore pendant la torréfaction et expliquerons certaines des raisons pour lesquelles l'évaporation est si importante dans la façon dont le café est torréfié.

Quand l’humidité s’évapore-t-elle ?

Malheureusement, il est très difficile de mesurer avec précision ce qui arrive à l'humidité du grain pendant la torréfaction. Il existe essentiellement deux approches : soit prélever des échantillons de grains à différentes étapes de la torréfaction et mesurer la teneur en humidité restante dans l'échantillon ; ou mesurer l'humidité dégagée par les gaz d'échappement.

Chaque approche pose problème : si vous mesurez la teneur en eau d'échantillons provenant du torréfacteur, ils doivent d'abord être refroidis, période pendant laquelle ils pourraient continuer à libérer de l'humidité ou à l'absorber de l'air. Pour mesurer la teneur en humidité avec un four de déshydratation – la méthode la plus précise – les grains devront peut-être être moulus, auquel cas ils peuvent libérer plus d'humidité ou d'autres gaz qui pourraient affecter le résultat (Schenker2000).

L’autre approche, qui consiste à mesurer l’humidité dans la cheminée d’échappement, est techniquement assez difficile. Cela rend également difficile la distinction entre l'humidité existante dans le grain en cours d'évaporation et l'humidité supplémentaire créée lors des réactions chimiques lors de la torréfaction.

James Davison, ingénieur chimiste et fondateur de Torréfacteurs de Williamstown, a adopté la deuxième approche pour mesurer l'humidité dégagée par les grains pendant la torréfaction. Dans ses résultats, présentés dans le graphique ci-dessous à droite, la quantité totale d'eau libérée représente environ 16% du poids initial des haricots verts – mais une quantité substantielle de l'eau qu'il a détectée aurait été créée pendant la torréfaction.

L'anémomètre sur mesure utilisé pour mesurer le débit d'air dans la cheminée d'échappement pour les expériences de James Davison

Tout cela signifie qu'il est difficile d'être certain de la teneur en humidité du grain pendant la torréfaction, et les tentatives de mesure donnent souvent des résultats contradictoires. Cependant, la plupart des preuves disponibles suggèrent que l'humidité s'évapore continuellement tout au long de la torréfaction, plutôt que seulement pendant la « phase de séchage » au début de la torréfaction.

Deux approches pour mesurer perte d'humidité. Le graphique de gauche, adapté de Schenker (2000), montre la teneur en humidité des échantillons de grains prélevés à différentes étapes de la torréfaction dans un torréfacteur à lit fluidisé fonctionnant à une température fixe. Le graphique de droite, de Davison (2019) est basé sur la teneur en humidité mesurée dans les gaz d'échappement pendant la torréfaction. Ces mesures ont été prises dans un torréfacteur à tambour et montrent un pic distinct d'évaporation de l'humidité à première fissure. La teneur totale en eau est calculée à partir de l'humidité évaporée dans la cheminée et inclut donc l'eau créée lors des réactions chimiques lors de la torréfaction.

Mais cela ne signifie pas que la teneur en humidité diminue uniformément dans tout le grain. Au lieu de cela, pour la majeure partie de la torréfaction, il existe une séparation claire entre une région sèche à l'extérieur du grain et une région humide à l'intérieur. Entre les deux se trouve une couche où l’humidité s’évapore et s’échappe du grain : le front d’évaporation.

Le front d’évaporation

L’idée centrale du front d’évaporation est que l’eau doit d’abord s’échapper de la couche extérieure du grain. Au début de la torréfaction, la température du grain augmente plus rapidement près de la surface du grain et la chaleur se propage plus lentement vers les couches internes. L’humidité près de la surface du grain s’évapore donc en premier, créant une couche de vapeur d’eau dans la partie externe du grain – le front d’évaporation.

À mesure que la température du grain dépasse 100 °C, la pression à l’intérieur du grain commence à augmenter car la vapeur s’accumule plus rapidement qu’elle ne peut s’échapper. La pression peut atteindre jusqu'à 25 bars pendant la torréfaction (Bonnländer et al. 2005) — plus de deux fois la pression que vous trouverez dans un pneu de vélo de piste olympique. La haute pression rend plus difficile l’évaporation de l’eau, de sorte que le grain contient toujours de l’eau liquide, ou de l’eau liée à la structure du grain, bien au-dessus du point d’ébullition. Cela fonctionne de la même manière que la chaudière à vapeur de votre machine à expresso contient à la fois de la vapeur et de l'eau à 120°C ou plus : la pression empêche l'eau de s'évaporer, ce qui permet à la température d'augmenter au-delà de la température d'ébullition habituelle.

Dans les couches externes du grain, la vapeur peut s'échapper par les pores du grain, la pression chute et l'eau restante s'évapore. Dans les couches internes du grain, la vapeur ne peut pas s'échapper, car elle est entourée de tous côtés par de la vapeur à haute pression.

Le front d'évaporation. Le noyau du grain (1) contient à la fois de l'eau liquide/liée et de la vapeur à haute pression. La vapeur ne peut pas s'échapper car elle est entourée de haute pression de tous côtés. De la vapeur s'échappe de la couche externe du grain (2). Entre les deux se trouve la couche où le liquide/l’eau liée peut se transformer en vapeur : le front d’évaporation (3).

Le résultat est une couche sèche à l’extérieur du grain, tandis que le centre contient encore beaucoup d’humidité. Au fur et à mesure que la torréfaction se poursuit, le front d'évaporation se déplace vers le centre du grain à mesure que de plus en plus de vapeur s'échappe du grain.

L'importance de l'évaporation

Transformer l'eau en vapeur demande beaucoup d'énergie. L'énergie nécessaire est appelée chaleur latente de vaporisation. Comprendre cela est essentiel pour comprendre comment l’évaporation de l’humidité affecte la façon dont les grains réagissent à la chaleur dans le torréfacteur.

Si vous chauffez l’eau à un rythme fixe, la température de l’eau augmente progressivement. Cependant, à 100°C, quelque chose d’étrange se produit. Vous continuez à chauffer, mais la température cesse d'augmenter et l'eau reste à 100°C. Cette énergie sert désormais à transformer l’eau en vapeur, au lieu d’augmenter la température de l’eau. En fait, il faut cinq fois plus d’énergie pour transformer l’eau en vapeur que pour chauffer l’eau de 0 à 100°C.

Le chaleur latente de vaporisation de l'eau. Au fur et à mesure que vous ajoutez de la chaleur, la température de l'eau augmente jusqu'à 100°C mais s'arrête ensuite. Toute chaleur supplémentaire ajoutée est utilisée pour l’évaporation, jusqu’à ce que toute l’eau se soit transformée en vapeur.

Cela signifie qu'au niveau du front d'évaporation, une grande partie de l'énergie absorbée par le grain va à vaporiser l'eau, au lieu d'augmenter la température. Dans la couche externe du grain, en revanche, cette chaleur peut contribuer à déclencher des réactions chimiques et à augmenter la température du grain.

L'effet de ceci est que toute chaleur qui pénètre dans le grain est capable d'augmenter la température de la couche externe plus rapidement que celle de la couche interne.

Obstacles à la chaleur

Au fur et à mesure que la torréfaction progresse, la couche externe commence également à agir comme une barrière, réduisant ainsi la quantité de chaleur atteignant le centre du grain. Premièrement, la couche externe sèche. Le café sec conduit moins bien la chaleur que le café humide, de sorte que la couche externe sèche agit comme une barrière supplémentaire pour empêcher la chaleur d'atteindre le centre. Deuxièmement, la couche externe commence à devenir plus poreuse à mesure que la structure cellulaire se décompose. Les pores sont isolants car ils sont remplis de gaz – il suffit de penser au fonctionnement du polystyrène expansé. Le résultat est que l’augmentation du volume des pores rend la couche externe encore moins efficace pour conduire la chaleur vers le centre.

Étant donné que la couche externe sèche est moins efficace pour conduire la chaleur dans le grain, un gradient de température commence à se développer, la surface du grain étant la plus chaude. Le noyau du grain, dont la structure est encore humide et dense, conduit plus efficacement la chaleur. Toute chaleur qui atteint cette zone est transférée plus facilement au cœur, de sorte que la température au cœur du grain est plus élevée. homogène.

Le front d’évaporation empêche la chaleur d’atteindre le centre du grain. Dans la couche externe du grain (1), la structure du grain est expansée et poreuse et la teneur en humidité est faible, de sorte qu'elle ne conduit pas efficacement la chaleur vers les couches internes. Il en résulte un fort gradient de température entre l’extérieur et l’intérieur du grain. Au niveau du front d'évaporation (2), l'humidité absorbe la chaleur et se transforme en vapeur. Le centre du grain (3), qui est plus dense et a une teneur en humidité plus élevée que la surface, conduit la chaleur plus efficacement que la surface, de sorte que le centre a une plus grande homogène température

Modélisation du front d'évaporation

Nous ne pouvons pas voir directement le front d’évaporation – nous supposons seulement qu’il est là car c’est ainsi que se comporte le séchage d’autres matériaux. Cependant, nous pouvons prédire ce qui se passe en utilisant une modélisation mathématique. Dans une série d'articles, des chercheurs de l'Université d'Oxford et Jacobs Douwe Egberts ont construit un modèle mathématique pour décrire le comportement de l'humidité à l'intérieur du grain pendant la torréfaction.

Ils ont constaté que leur modèle prédisait deux zones très distinctes à l'intérieur du grain : une zone à haute pression au centre, continuant à la fois de la vapeur et du liquide ou de l'eau liée, et une zone distincte au bord du grain qui était complètement sèche - avec un étroit front d'évaporation entre eux (Fadai et al. 2016).

Le front d’évaporation, tel que prédit par la modélisation. La région i contient de la vapeur et de l'eau liquide/liée à haute pression et rétrécit progressivement à mesure que le front d'évaporation se déplace vers l'intérieur. La région II est complètement sèche. Adapté de Fadai et coll. (2016)

Étonnamment, leur modèle suggère que la température est presque la même dans tout le grain. Cela pourrait impliquer que l'effet du front d'évaporation sur le transfert de chaleur est relativement faible et que la manière dont l'humidité s'échappe du grain est plus importante pour déterminer la façon dont un café est torréfié que la facilité avec laquelle la chaleur pénètre jusqu'au centre.

La différence de température entre le centre et la surface du grain dépend peut-être des conditions de torréfaction. Schenker (2000) a inséré une petite sonde de température dans un grain afin de mesurer la différence entre la température à l'intérieur du grain et la température du tas de grains, telle que donnée par la sonde « température du grain ». L'alignement de la température du noyau et du tas de grains dépend de la vitesse globale de torréfaction : les torréfactions plus rapides et plus chaudes ont montré une plus grande différence tandis que dans la torréfaction plus lente, la température du noyau du grain a rattrapé la température du tas de grains vers la moitié de la température. rôti.

Température du tas de grains et du noyau du grain pendant la torréfaction dans un torréfacteur à lit fluidisé fonctionnant à des températures fixes. La température centrale des grains est en retard par rapport à celle du tas de grains, mais finit par rattraper son retard lors d'une torréfaction plus lente. Trois profils ont été utilisés : haute température, temps court (HTST) ; température moyenne, temps moyen (MTMT) ; et basse température, longue durée (LTLT). Adapté de Schenker (2000)

Le front d'évaporation et Première fissure

Le front d’évaporation a un autre effet important. À mesure que la température du grain augmente, à un moment donné, le matériau du grain subit une transition d'un état caoutchouteux à un état caoutchouteux. fragile un – appelé la transition vitreuse. La température à laquelle cela se produit dépend de la quantité d’humidité : s’il y a plus d’humidité, la transition vitreuse se produit à une température plus basse.

L'intégration de cela dans le modèle du front d'évaporation a un effet intéressant : à une certaine température, le noyau du grain subit la transition vitreuse car il a plus d'humidité, et devient caoutchouteux et capable de se dilater avec l'accumulation de pression de vapeur. La couche externe du grain, en revanche, reste fragile parce qu'il est plus sec et résiste donc à cette expansion. À mesure que la température du grain augmente, le stress s'accumule à mesure que la région interne tente de gonfler, mais il est contenu par le fragile couche externe. Ce stress pourrait être la cause de première fissure (Fadai et al. 2019).

Mieux comprendre comment l’humidité s’échappe du grain pourrait en expliquer beaucoup plus sur la torréfaction du café que nous ne le pensions auparavant. Si le stress créé entre les couches interne et externe des grains est la cause de première fissure, puis modifier la manière dont l'humidité s'échappe du grain, ou contrôler le moment où la transition vitreuse a lieu dans les différentes couches du café, pourrait avoir de profondes implications sur le contrôle du profil global de torréfaction.