Понимание рН.

Если вода растворяет кислоту, она получает дополнительный катион водорода (Н+). Когда таких катионов достаточно много, вода становится более кислой.

Если вода растворяет щелочь, ее атомы диссоциируют с высвобождением гидроксид аниона (ОН-).
Если таких анионов много - вода становится щелочной. Если количество катионов водорода (Н+) и гидроксид анионов (ОН-) одинаковое - вода сбалансирована.

Для измерения существует некая логарифмическая шкала. Она измеряет именно кислотность - рН (катион водорода). Нейтральный раствор имеет значение 7. Меньше 7 - кислотнее. Больше 7 - щелочнее. Поскольку шкала логарифмическая, рН=5 в десять раз кислотнее рН=6.

Жесткость воды.

Постоянная жесткость (обозначается GH) (состав: катионы кальция и магния двухзарядные, катионы калия и натрия однозарядные). Постоянная - не изменяется при кипячении. Во основном это хлориды и сульфаты этих металлов. Они не выпадают в осадок при кипячении. Но могут влиять на вкус кофе.

Однозарядные катионы:
натрий (Na+ ) и калий (K+ )

Все ионы металлов можно рассматривать как точки положительного заряда в трехмерном пространстве. Ионы натрия и калия несут один положительный заряд, который является относительно диффузным (имеют малую плотность). Вода сама по себе сильно полярна, поэтому, учитывая плотность заряда металла и высокий диполь воды, наиболее сильное катион-анионное взаимодействие достигается с самой водой. Другими словами, очень мало других соединений с частично отрицательным зарядом (таких как вода), которые сильнее прилипают к Na+ и K+ чем сама вода. Следовательно, эти катионы мало помогают в извлечении молекул, содержащихся в кофе, потому что они очень эффективно связываются с водой.

Учитывая, что физика требует нейтральности заряда, наличие этих положительных зарядов требует наличия встречных отрицательных зарядов (анионов, таких как бикарбонат и хлорид). Таким образом, вода, богатая натрием (более 50 ppm), обычно является признаком того, что либо ваш кофе будет неприятным на вкус (из-за связанного бикарбоната, подавляющего воспринимаемую кислотность в чашке), либо машина находится под угрозой коррозии (из-за сольватированного хлорида). .

Двухзарядные катионы:
магний (Mg2+ ) и кальций (Ca2+ )

Mg2+ и Ca2+ имеют тенденцию "прилипать" к областям с отрицательным зарядом, но в отличие от Na+ и K+, двухзарядные катионы связываются как с водой, так и с другими органическими молекулами. Это взаимодействие может способствовать экстракции, вытягивая аромат из молотого кофе (лимонная кислота быстро экстрагируется в воде, богатой металлами), но кальций также может быть вредным, если вы хотите скрыть менее ароматные, но сильно поляризованные молекулы (например, этилацетат), которые могут присутствовать в обжаренном кофе. Однако Ca2+ также может быть проблематичным при высоких концентрациях, поскольку он образует нерастворимую соль с карбонатом, известковым налетом. Это может повредить или даже испортить машину. Мg2+как правило, безопасно употреблять, без заметного негативного влияния на вкус и без риска для здоровья машины, потому что карбонат магния, MgCO 3, не образуется в заметных количествах.

Однозарядные анионы:
фторид (F- ) и хлорид ( Cl- )

Фторид (F- ) является наименьшим анионным водорастворимым веществом и редко обнаруживается в концентрациях, превышающих приблизительно 1,5 мг/л (1,5 частей на миллион). На уровнях, обычно встречающихся в воде (около 1 мг/л), фторид положительно влияет на здоровье и не оказывает отрицательного влияния на приготовление кофе.

Хлорид (Cl- ) немного больше, чем фторид, но несет такой же отрицательный заряд. Хлор является наиболее часто сольватируемым анионом, и его не следует путать с хлором (Cl2), который используется для стимуляции роста бактерий в пресной воде. Хлорид является ценным противоионом, поскольку он уравновешивает заряд жидкости без каких-либо неблагоприятных последствий для здоровья или вкуса.

Однако хлорид может вызвать катастрофические повреждения оборудования из нержавеющей стали в результате каталитического окисления Fe до Fe2+, вызывая точечную коррозию. Это происходит в той или иной степени при всех концентрациях хлорида.


Временная или карбонатная жесткость (KH) (она же карбонатная щелочность) - это мера жесткости воды, вызванная присутствием карбонат (CO2- 3) и бикарбонат (он же гидрокарбонат) (HCO- 3) анионов. Карбонатная жесткость обычно выражается либо в градусах KH (dKH), либо в частях на миллион карбоната кальция ( ppm CaCO3 или граммы CaCO3 на литр | мг/л).

Повышенная карбонатная жесткость приводит к повышенному буферу воды. Буфер воды - это способность воды сопротивляться отклонению в сторону закисления и в сторону защелачивания от нормы. Доставку карбонатов и бикарбонатов в раствор осуществляет кальций, магний, калий, натрий (их бикарбонаты, например Ca(HCO3)2). При соединении с водой, например карбонат кальция взаимодействует с катионом гидроксония (они находятся в воде в некоторых количествах) в результате получается катион кальция (Са2+), анион бикарбоната (НСО- 3) и вода. Чем больше растворяется карбоната кальция в воде, тем больше высвобождается бикарбонатов (гидрокарбонатов), что является причиной увеличения буфера воды. Буфер воды в основном основан на бикарбонатах, так как карбонаты плохо растворяются в воде. Однако при значении рН=8.2 происходит обратный эффект - накопившееся количество бикарбонатов вступает в реакцию с гидроксид анионом (ОН-) и катионами кальция с образованием карбоната кальция и воды.
Если буферная способность воды большая (много бикарбонатов), то при добавлении кислот (Н+) часть катионов водорода расходуется на соединение с карбонатами и гидрокарбонатами. При соединении иона водорода с бикарбонатом образуется угольная кислота и рН снижается, но при соединении иона водорода с карбонатом образуется бикарбонат, что приводит просто к абсорбции иона водорода, тем самым уменьшая изменение рН.

Сульфат магния и хлорид кальция не вызывает известкового налёта и не действует как буфер для кислот кофе, но взаимодействует с ароматами кофе.

По материалам:
https://www.baristahustle.com/lesson/twc-1-02-hardness/https://www.freshcup.com/how-water-works/https://soyuzcoffeestore.com/blog/tpost/vr0hpec611-horoshaya-voda-dlya-kofe-standarti-i-och

Некоторые замечания.
Считается что кальций отвечает за тело кофе, а магний за ароматику. Прочитать на эту тему Колонна-Дэшвуда - https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jf501687c
В некоторых источниках (где? уточнить) есть упоминание о том, что натрий увеличивает несколько горечь в кофе. Это к тому, что гидрокарбонат натрия - сода, являясь поставщиком гидрокарбонатов в раствор (бикарбонатов) не очень хороший вариант. Карбонат калия (поташ, E525, регулятор кислотности в пищевых продуктах)- поставщик карбонатов в раствор с образованием гидрокарбоната калия и углекислого газа. Лучше (лучший вариант?), так как калий есть в составе кофейного зерна и не оказывает влияния на вкус. Гидроксид магния - не растворим в воде, поэтому как доставщик отпадает. Карбонат магния - плохо растворим в воде. Гидрокарбонат магния - водный раствор. Доступен сульфат магния - соль эпсома, английская соль. Гидроксид кальция - едкая известь. Плохо растворима в воде, не пригодна к употреблению в пищу.

Белки в молоке отвечают за создание пены.
В молоке они делятся на 2 основные группы: сывороточные и казеиновые.
Для работы с молоком нас будут интересовать сывороточные белки. Два наиболее важных - беталактоглобулин и альфалактоальбумин.

Белки - поверхностно активные вещества. Когда при взбивании молока, нагретый воздух попадает в молоко, белки под воздействием температуры вытягиваются (постепенно денатурируют) или другими словами - "разворачиваются" (в исходном состоянии они "свернуты").

Когда молекула белка "разворачивается", "наружу" выходят реакционно-способные группы, в готовности образовать какое-то новое соединение.
Молекула одним концом адсорбируется на поверхности запускаемого в молоко пузырька воздуха и будет к нему притягиваться. Молекула как бы поляризована - одним концом она будет отталкиваться от воды в молоке, а другим концом к ней притягиваться. Тем концом, которым она отталкивается от воды содержащейся в молоке она притягивается к воздушному пузырьку. Так работает механизм образования эмульсии.
При дальнейшем повышении температуры молекула будет вытягиваться и частично разрушаться, чем больше температура - тем больше.

Почему молоко сворачивается?

Происходит это из-за молекул белка казеина. Казеин в молоке существует в форме мицал. Это шарики, которые состоят из кальция и альфа-бета-каппа казеиновых молекул.
Каппа-казеин - отрицательно заряжен и как одноименно-заряженные частицы, частицы каппа-казеина отталкиваются друг от друга. Когда мы добавляем лимон или уксус в молоко, мы снижаем Рн и молекулы каппа-казеина перестают отталкиваться друг от друга и начинают притягиваться и "слипаться" друг с другом. Появляются хлопья. То же самое происходит при воздействии бактерий, которые поедают в молоке углеводы - лактозу и выделяют продукты жизнедеятельности, имеющие кислую среду, повышая Рн молока и способствуют "слипанию" каппа-казеина.

Чем белков в молоке больше, тем лучше. Но нужны природные белки. Бывает, что добавляют в молоко протеины, чтобы искусственно "поднять" белок в молоке. Но это, как правило хуже, потому что протеины уже подверглись изменениям и с точки зрения взбиваемости и вкуса они ведут себя хуже.

Это самые крупные и неоднородные молекулы в молоке. На производстве молоко подвергается гомогенизации - жир разбивается на очень мелкие и однородные фракции.
После гомогенизации жиры присутствуют в молоке в виде глобул - это смесь жирных кислот покрытых мембраной. Эта мембрана сложная по составу. Она состоит в основном из белков. Таким образом жирные кислоты защищены белковым слоем. Это защищает их от склеивания и окисления. Эти жирные кислоты имеют разную температуру плавления. До температуры 40 градусов не все жирные кислоты находятся в жидком состоянии. После 40 градусов они плавятся и способствуют стабильности пены молока. Расплавленные жиры будут находиться в молоке между пузырьками воздуха, создавая вязкую среду. Это создает хорошие тактильные ощущения: мягкость, шелковистость, кремовость. Таким образом пузырьки воздуха будут находиться в более вязкой среде и будут медленнее склеиваться. Нагревание выше 60-ти градусов особенно ничего не дает жирам и они практически никак не меняются. То есть с жирами нам интересны не высокие, как у белков, а напротив - низкие температуры.

В молоке основной углевод - это лактоза. Это молочный сахар. Он находится только в молоке и только в том, что называется именно молоком.
Чем выше температура, тем быстрее протекает реакция Майяра. Это взаимодейтсвие белков (аминокислот) и углеводов. Продукты реакции - меланоидины. Это продукты перегруппировки Амадори (первая стадия реакции Майяра), которые имеют коричневатый цвет. Это знание необходимо для того, чтобы понимать, что с увеличением температуры в молоке появляется больше продуктов неферментативного потемнения и молоко меняет цвет и вкус.
Восприятие сладости в молоке связано с его нагреванием. Это исключительно вопрос именно особенностей восприятия человеком жидкости на разной температуре нагрева: холодное воспринимается менее сладким, теплое - более сладким. Например растаявшее мороженное и нагретая газировка будут приторно-сладкими, чем холодное мороженное и газировка из холодильника. Холодное молоко и нагретое до 60 градусов имеют одинаковое количество сладости, но нагретое молоко воспринимается более сладким.

Низколактозное молоко.

Низколактозное молоко слаще, чем обычное. Производят его так. В молоко добавляют фермент лактазу. Такой фермент, например, находится и у нас в пищеварительном тракте. В частности именно в связи с отсутствием этого фермента у человека возникает непереносимость лактозы.

Фермент начинает расщеплять лактозу на глюкозу и галактозу. В низколактозном молоке содержится уже не лактоза, а глюкоза и галактоза, то есть расщепленная молекула лактозы.
Лактоза по шкале сладости углеводов находится ниже, чем глюкоза и галактоза, они слаще, поэтому и низколактозное молоко слаще.
К концу ферментации лактозы в молоке становится мало. Например йогурты, сыры и кефир содержат мало лактозы, потому, что эти бактерии и подобные культуры уже "поработали" с лактозой и преобразовали ее.

1. Какое молоко лучше и на каком молоке "работать"?

Типы промышленной обработки.

Пастеризация.
Существует три типа, но широко используется один - долгое время, невысокая температура, (около 70 градусов и 30 минут).

Ультрапастеризация.
Применяется в сочетании с асептической упаковкой (внутри упаковки нанесено асептическое вещество), здесь на 3 секунды молоко нагревается до порядка 130 градусов. Преимущество ультрапастериазации только в долгом хранении. Минус ультрапастеризованного молока - оно начинает пахнуть при температурах выше 60 градусов. Чем выше нагрели, тем больше будет пахнуть.

Стерилизация.
Нагрев примерно до 120 градусов в течение 30 минут. Убивается в молоке вся микрофлора. Используется такое молоко больницами и детскими учреждениями.

Пастеризация в сочетании с микрофильтрацией.
Молоко проходит через мембрану после пастеризации. Патогенные микроорганизмы остаются на мембране, так как они больше по размерам чем белки и жиры. Это позволяет не обрабатывать молоко высокой температурой. Качество пены у пастеризованного молока будет выше. Это связано с тем, что в пастеризованном молоке количество сывороточного белка больше в 2 раза, чем в ультрапастеризованным. И пена будет стабильнее. У ультрапастеризации в этом плане стабильность пены будет хуже. Взбиваются они практически одинаково.

Что еще влияет на вкус самого молока? Это порода коровы, что она ест, где росло то, что она ест, какую воду она пьет, ее здоровье. То есть корова - основной "завод", который отвечает за вкус. Ест ли она на солнечном лугу сладкий клевер и пьет чистую воду или она в стойле ест сено при люминесцентных лампах - это влияет на вкус, молоко будет разным.

2. Почему взбитое молоко нельзя взбивать повторно?
Лучше не использовать уже взбитое молоко для еще одного напитка. Это связано с тем, что молочный белок уже подвергся тепловым преобразованиям, молекулы денатурированы, в молоко попала вода, поэтому такое молоко не даст того вкуса, как если бы мы взбили свежее молоко.

3. Вода и молоко

Важно сказать про воду, которая попадает в молоко. При взбивании, пар попадающий в молоко передает энергию тепла его основной массе и при этом конденсируется. За стандартное время взбивания порции молока на приготовление капучино, в него может попасть порядка 10% воды. Это влияет на вкус. Поэтому важно хорошо сбрасывать с паровика воду, продувать его до сухого пара. Так меньше попадет воды в молоко, стабильнее и лучше оно будет взбиваться.