Najważniejsze parametry wody do kawy

Błażej Walczykiewicz, którego całe życie zawodowe związane jest z branżą kawową, zebrał chemiczne pojęcia, które należy poznać chcąc doskonalić swoje umiejętności przygotowywania perfekcyjnej kawy.

Chcąc dobrze zrozumieć jak dokonywać pomiarów parametrów wody do kawy oraz jak je kontrolować warto zapoznać się z ich definicją oraz zakresami rekomendowanymi przez międzynarodowe stowarzyszenie Specialty Coffee Association.

Aby uzyskać optymalny smak kawy Specialty Coffee Association rekomenduje następujące zakresy podstawowych parametrów fizyko-chemicznych wody:

Przewodność elektrolityczna: 75 - 250 mg/dm³
pH: 6 do 8
Twardość ogólna (GH): 50 do 175 mg/dm³
Zdolność buforowa (twardość węglanowa KH): 40 do 75 mg/dm³

Co oznacza każdy z powyższych parametrów, czym i jakich warunkach dokonywać ich pomiaru?

Przewodność elektrolityczna, czyli przewodność elektryczna lub konduktywność wody to jej zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego. Sprawdzenie tego parametru pozwala ocenić jaki jest stopień nasycenia wody przez jony różnych nieorganicznych związków chemicznych, a więc określić stopień jej mineralizacji.

W uproszczeniu parametr ten określa stężenie jonów (dodatnie kationy i ujemne aniony) rozpuszczonych w wodzie (ang. TDS - total dissolved solids), które mają zdolność przewodzenia prądu elektrycznego.

Niska ilość rozpuszczonych jonów w wodzie oznacza jej niską mineralizację, a wysoka ilość - wysoką mineralizację, a więc odpowiednio niską i wysoką przewodność elektryczną.

Pomiaru tego parametru możemy dokonać stosując konduktometr.

Jednostką wyrażającą konduktywność wody jest 1 Simens na metr (S/m) lub częściej używany 1 mikro Simens na cm (1 μS/cm).

Wartości przewodności elektrolitycznej wody w μS/cm w przybliżeniu jest tym samym co mineralizacja wody wyrażona w mg/dm³, którą często spotykamy na etykietach butelek wód mineralnych w sklepach.

W branży kawowej do pomiaru przewodności wody bardzo często zamiast konduktometrów mierzących tą właściwość w μS/cm, stosuje się konduktometry wyrażające TDS (stężenie jonów) wody w jednostce PPM (ang. parts per milion, a więc ilość cząsteczek rozpuszczonych na milion - w wodzie 1 PPM = 1 mg/dm³ czyli 1 miligram na litr). Przeliczenie wartości otrzymanej przewodności elektrolitycznej wody z μS/cm do TDS (wyrażony w PPM) zależy od składu chemicznego badanej próbki, a więc od przewodności różnych rozpuszczalnych w wodzie jonów. Odczyt wyrażony w μS/cm można przedstawić dzięki mnożeniu uzyskanego wyniku przez wartość współczynnika przewodności wynoszącą od 0,54 do 0,96.

Najczęściej przyjmuje się założenie, że rozpuszczonymi w wodzie solami są głównie chlorki sodu (NaCl), których przewodność o wartości 1 μS/cm równoważna jest ilości ok. 0,64 mg NaCl/kg wody. W zależności od tego skąd woda jest czerpana rozpuszczonych jest w niej dużo innych soli takich jak wodorotlenki wapnia i magnezu, siarczany, azotany, wodorowęglany i inne.

Dla branży kawowej Specialty Coffee Association zaproponowało uśredniony przelicznik konduktywności z μS/cm na PPM wynoszący 0,7. Zatem dokonując pomiaru w μS/cm aby uzyskać odczyt w PPM (mg/dm³) wynik ten należy przemnożyć przez współczynnik 0,7.

Warto podkreślić, że występujące na rynku elektroniczne mierniki mineralizacji wody wyrażające ten parametr w PPM zazwyczaj dają odczyt TDS z zastosowanym przelicznikiem 0,54. Istnieją również konduktometry z funkcją zmiany przelicznika na 0,7. Alternatywnie wynik odczytany w PPM gdzie zastosowany jest przelicznik 0,54 można przeliczyć na do wartości z przelicznikiem 0,7 stosując prostą proporcję matematyczną.

Pomiaru przewodności wody należy dokonywać w temperaturze pokojowej - około 20 do 25 st. Celsjusza, ponieważ właściwość ta jest zależna od temperatury pomiaru. Wzrost temperatury wody powoduje zwiększenie ruchliwości w niej jonów, co sprawia, że wartość przewodności wody rośnie.

Uzyskana wartość mineralizacji wody daje nam wiedzę o ilości jonów w badanej wodzie, jednakże nie daje nam informacji na temat jej składu. Pozostałe właściwości fizyko-chemiczne warto zbadać z wykorzystaniem innych testów.

Odczyn wody - wartość pH - jest to właściwość wody spowodowana aktywnością jonów wodorowych H. Dla odczynu kwaśnego kationów wodorowych H+, a dla odczynu zasadowego anionów wodorotlenkowych OH⁻. pH roztworów jest jednostką bezwymiarową i ma charakter jedynie porównawczy, nie przekłada się bezpośrednio na stężenie czy aktywność jonów wodorowych ani żadnych innych. Innymi słowy jest to liczbowe określenie kwasowości lub zasadowości roztworu wodnego.

Skala pH to ilościowa skala odczynu kwaśnego lub zasadowego wody i jej zakres wynosi od 1 do 14. Neutralne, a więc obojętne pH wynosi 7 i taką wartość ma woda destylowana. W wodzie o odczynie obojętnym znajduje się taka sama ilość jonów OH- i H+. Roztwory kwaśne mają pH mniejsze niż 7, a roztwory zasadowe większe niż 7.

Warto mierzyć odczyn wody z kranu jak i wody filtrowanej, gdyż woda o odczynie różnym niż neutralny będzie znacząco wpływać na smak przygotowywanej z jej użyciem kawy jak i znacząco wpłynie na stan techniczny urządzeń, w których jest podgrzewana (ekspres ciśnieniowy, ekspres przelewowy, warnik czy czajnik na wodę).

Jeśli woda ma pH poniżej 7 (odczyn kwaśny) będzie miała obniżoną zdolność do neutralizowania kwasów z kawy. Napar kawy może być przez to bardziej kwaśny i cierpki w smaku. Jednocześnie woda ta ma wyższe właściwości korozyjne.

Jeśli woda ma pH powyżej 7 (odczyn zasadowy) będzie miała podwyższoną zdolność do neutralizowania kwasów z kawy co może doprowadzić do tego, że napar kawy będzie przez to bardziej gorzki i mało złożony w smaku. Jednocześnie taka właściwość wody spowoduje, że podczas jej podgrzewania będzie się z niej bardziej wytrącał kamień kotłowy.

pH wody należy mierzyć elektronicznym pH-metrem w rekomendowanej temperaturze 20-25 stopni Celsjusza.

W trakcie używania elektronicznych urządzeń pomiarowych: pH-metru czy konduktometru bardzo ważna jest regularna ich kalibracja, która zapewni rzetelność częstych pomiarów parametrów wody.

Twardość ogólna (GH) - właściwość wody wywołana obecnością dodatnio naładowanych jonów (kationów) rozpuszczonych w wodzie. Głównie będą to kationy z soli wapnia i magnezu (Ca²⁺ i Mg²⁺). Mogą być to również inne kationy występujące w dużo mniejszych ilościach: żelaza Fe³⁺, glinu Al³⁺ czy manganu Mn²⁺.

Twardość ogólną wody można zmierzyć poprzez pomiar ilości węglanu wapnia i węglanu magnezu (CaCO3 i MgCO3) w wodzie wyrażonych w ppm lub mg CaCO₃mg/L.

Pomiaru dokonuje się testem kropelkowym, dzięki któremu otrzymujemy wartość twardości wody w przeliczeniu na ilość CaCO₃ bez rozróżnienia na zawartość jonów wapnia Ca czy magnezu Mg. Najczęściej stosowaną jednostką miary GH w Polsce są stopnie niemieckie (dH), które można przeliczyć na miligramy w litrze wody stosując przelicznik 1 dH = 17,85 mg/L CaCO₃.

Zdolność Buforowa (KH) - czyli ilość anionów wodorowęglanowych (HCO3) w wodzie, którą można w uproszczeniu zmierzyć poprzez oszacowanie twardości węglanowej wody (KH) jeśli jony wodorowęglanowe są połączone z wapniem i magnezem.

Twardość węglanowa to część twardości ogólnej, którą tworzą związki chemiczne niestabilne termicznie. Jest to ta część kationów wapnia i magnezu, która jest połączona z anionami HCO3- , CO₃^- tworząc wodorowęglany i węglany wapnia i magnezu.

W momencie podgrzewania wody następuje rozpad wodorowęglanów wapnia Ca(HCO₃)₂i wodorowęglanów magnezu Mg(HCO₃)₂na węglany wapnia CaCO₃ i węglany magnezu MgCO₃ tworzące osad nazywany kamieniem kotłowym.

Ca(HCO₃)_2(aq) → CaCO_3(s)↓ + H₂O_(l) + CO_2(g)

_{aq – roztwór wodny; s – ciało stałe; l – ciecz; g – gaz}

Twardość węglanową, podobnie jak ogólną określa się badaniem zawartości rozpuszczonych w niej najczęściej wodorowęglanów wapnia i magnezu, sodu, potasu wyrażonych w ppm lub mg/litr CaCO3.

Jednostką miary GH w Polsce są stopnie niemieckie (dH), które można przeliczyć na miligramy w litrze wody stosując przelicznik 1 dH = 17,85 mg/L CaCO₃.

Jak widać z powyższej definicji wysoka zdolność buforowa wody wiążę się z obecnością dużej ilości jonów wodorowęglanowych, a więc z jej zwiększoną wartością pH. Jony wodorowęglanowe są związkami, które nazywamy buforami, a więc roztworami, które mają zdolność do neutralizowania kwasów.

W praktyce oznacza to, że im wyższą zdolność buforową ma woda używana do parzenia kawy, tym mniej kwasowy, rześki i owocowy będzie przygotowany z niej napar kawy. Analogicznie im woda będzie miała niższą zdolność buforową tym przygotowany z niej napar kawy będzie bardziej kwaśny i cierpki.

W świetle powyższych informacji spójrzmy w jaki sposób omówione powyżej parametry przedstawione są na wykresie rekomendowanych przez SCA właściwości wody.

Oś pionowa - twardość całkowita wyrażona w ppm CaCO₂
Oś pozioma - alkaliczność wyrażona w ppm CaCO2
Szara strefa - optymalny zakres twardości całkowitej i zdolności buforowej w perspektywie technicznej.
Niebieska strefa - optymalny zakres twardości całkowitej i zdolności buforowej w perspektywie sensorycznej.
Czarna ukośna przerywana linia - wskazuje wzrastającą ilość rozpuszczonego, czystego węglanu wapnia lub magnezu (CaCO₃, MgCO₃).

W każdym rogu opisany jest podstawowy profil sensoryczny kawy przygotowanej z użyciem wody o wskazanych parametrach fizyko-chemicznych z tej konkretnej strefy.

*Rysunek: Źródło: The SCA water quality handbook, Marco Wellinger, Samo Smrke, Chahan Yeretzian, 2018

Podsumowując, należy dążyć, aby przy pomocy odpowiednich systemów filtracji uzyskać tak oczyszczoną wodę by jej parametry były w zakresie rekomendowanym przez SCA w niebieskiej strefie powyższego schematu. Warto podkreślić, że parametry wody określone w węższej, szarej strefie, są optymalne zarówno z perspektywy technicznej jak i sensorycznej.

Tak oczyszczona i kontrolowana woda pozwoli klientom naszych kawiarni cieszyć się wspaniałym aromatem i smakiem kawy, a kosztowne urządzenia do jej przygotowywania będą chronione przed kamieniem kotłowym czy korozją.