Cet article s'appuie sur des recherches et une présentation de Stéphane Ribes datant de mai 2019.
1. Introduction
Une pré-infusion idéale implique un mouillage rapide et uniforme de la mouture de café afin d'assurer une compression homogène de la galette, une homogénéité thermique et une vitesse d'écoulement constante avant l'extraction principale. Les méthodes traditionnelles d'alimentation en eau unidirectionnelles ne parviennent souvent pas à atteindre cette uniformité. À l'aide de la plateforme Decent Espresso (DE1), cette étude menée par Stéphane Ribes (mai 2019) examine comment la modification des débits de pré-infusion (de 0,5 ml/s à 8,0 ml/s), des seuils de transition de pression et des profils de pré-infusion en plusieurs étapes influe sur le comportement physique de la galette, la dynamique d'extraction et le rapport du temps de contact de la galette (PCT).
2. Résumé
Qu'est-ce qu'une pré-infusion ?
Une pré-infusion parfaite consiste en un mouillage instantané et homogène de la mouture de café. Elle permet d'obtenir une galette entièrement mouillée, avec une température et une compression uniformes.
1. La constance de la densité de la galette après la pré-infusion
2. L'homogénéité du temps de contact de la galette avec l'eau de café et de la température de la galette
3. Lissé de la surface de la galette après la préparation de l'expresso
Ce qui est présenté ici est un mélange de résultats d'observations de base et d'hypothèses fondées sur des phénomènes physiques attendus.
Avec la machine à expresso Decent, la pré-infusion de l'expresso peut être facilement ajustée et perfectionnée.
3. Questions posées
Comment le débit de pré-infusion influence-t-il l'uniformité de la densité des galettes après la pré-infusion et la résistance totale à l'écoulement lors de l'extraction ?
Quels paramètres physiques déterminent l'homogénéité du temps de contact et de la température entre les couches supérieure et inférieure du lit de café ?
Quelles sont les causes de la formation de cratères à la surface après l'extraction, et comment les paramètres de pré-infusion peuvent-ils atténuer ce phénomène ?
Comment un profil de pré-infusion en plusieurs étapes à débit variable peut-il optimiser la régularité globale de l'extraction ?
Comment le rapport du temps de contact du marc (PCT) est-il défini, calculé et équilibré mathématiquement ?
4. Méthode
Équipement et paramètres du lit de café : Les tests ont été réalisés à l'aide d'une machine à expresso Decent Espresso DE1PRO v1.1 et d'un panier-filtre de 18 g contenant une dose de 20 g de café (occupant un volume tassé de 30 cm³ et nécessitant 40 ml d'eau pour une pré-infusion complète).
Catégories de débit évaluées :
Débit très faible : 0,5 à 1,5 ml/s.
Débit faible à moyen : 1,5 à 3,0 ml/s.
Débit moyen à élevé : 3,0 à 5,0 ml/s.
Débit élevé : 5,0 à 8,0 ml/s.
Modélisation du temps de contact avec la galette (PCT) : Le volume d'eau résiduelle après infusion a été défini à environ 1 ml par gramme de dose de café sec. Les durées de contact en haut et en bas ont été évaluées pour des rapports d'infusion allant de 1:1 (rendement de 20 g) à 1:3 (rendement de 60 g).
5. Déroulement
1. Essais de densité et de résistance : Des débits de pré-infusion constants ont été testés en fonction de tailles de mouture et de pressions d'extraction fixes (9 bars) afin de mesurer la compression relative de la galette et les débits d'extraction.
2. Profilage thermique et de concentration : modélisation des gradients de perte thermique du haut vers le bas de la mouture pendant les phases de pré-infusion et d'extraction, en suivant les écarts de température moyens pour des rapports de café de 1:1, 1:2 et 1:3.
3. Observation des dommages superficiels : Examen de la surface des galettes après la préparation afin de détecter la formation de cratères en fonction de débits de pré-infusion variables (< 1,0 ml/s à \> 5,0 ml/s) et de vitesses de montée en pression post-pré-infusion.
4. Optimisation du profil en plusieurs étapes : mise au point d'une pré-infusion à débit variable en deux étapes (débit initial moyen à élevé passant à un débit faible dès le seuil de 1,0 bar atteint) afin d'équilibrer une saturation rapide et une faible compression de la galette.
5. Calcul de la formule du rapport PCT : Nous avons calculé le rapport entre le temps de contact excédentaire de la mouture supérieure (« Excess Contact Time of Top grinds », ECTT = temps de pré-infusion) et le temps de contact excédentaire de la mouture inférieure (« Excess Contact Time of Bottom grinds », ECTB = temps de versement de l'eau résiduelle) :
Rapport d'équilibre cible = 1,0.
6. Toutes les expériences
Lors d'une pré-infusion avec une augmentation rapide de la pression, les couches inférieures de la galette sont davantage comprimées.
La densité de la galette est plus homogène lorsqu'une pré-infusion lente est effectuée.
Cela explique pourquoi, à taille de mouture, dose et pression d'extraction identiques (par exemple 9 bars), des débits plus élevés pendant la pré-infusion entraînent des débits plus faibles pendant l'extraction (avec une pré-infusion plus longue, une mouture plus fine est nécessaire pour obtenir un débit similaire pendant l'extraction).
Une densité plus élevée de la galette -> moins d'espace disponible autour des particules de café
Dans le cas d'une pré-infusion rapide, la vitesse du fluide est plus élevée autour de la mouture de café au fond de la galette. Le temps de contact plus court qui en résulte suggère une extraction moindre de la mouture de café située au fond de la galette. Cela pourrait également contribuer à augmenter le risque de projections désordonnées que l'on observe parfois à la sortie du panier, en particulier lorsqu'elles sont associées à des débits d'extraction élevés.
1. À mouture identique et pour un débit cible donné lors de la phase d'extraction, la réduction du débit de pré-infusion diminue la compression de la galette, ce qui a un impact direct sur la pression maximale atteinte pendant l'extraction (profil de débit).
2. Un phénomène de canalisation peut se produire lorsqu'un débit de pré-infusion élevé est associé à une forte augmentation de pression.
6.2. Durée de contact et température uniformes
Avec la machine à expresso Decent, une dose de 20 g de café nécessite environ 40 ml d'eau pour effectuer une pré-infusion complète (machine DE1 PRO v1.1 – 20 g de café dans un panier de 18 g).
Avec une pré-infusion à 1 ml/s, lorsque la mouture de café située au fond du panier est mouillée, celle qui se trouve en haut a déjà été trempée dans l'eau chaude pendant 40 secondes !
Ce temps de contact supplémentaire de la mouture du haut sera partiellement (voire totalement) compensé à la fin de l'extraction, lorsque la dernière quantité de café infusé s'écoulera du filtre. Cette quantité correspond au volume de liquide résiduel présent dans la galette lors des dernières phases de l'extraction.
L'équilibre idéal (temps de contact identique pour la mouture du haut et du bas) est obtenu lorsque le temps nécessaire à l'écoulement de l'eau d'infusion résiduelle est égal au temps de pré-infusion.
Cela peut être réalisé grâce à un choix approprié des débits pour la pré-infusion et pour la phase d'extraction (dernière étape).
Le volume d'une dose de 20 g de café (mouture sèche), tassée dans un filtre de 58 mm, est d'environ 30 cm³.
Environ 20 ml d'eau suffisent pour saturer cette quantité de mouture.
Prenons un rapport de café classique de 1:2 pour obtenir 40 ml de café dans la tasse.
Dans cet exemple, avec un rapport d'infusion choisi de 1:2, l'eau d'« extraction » ne sert qu'à faire passer l'eau de pré-infusion à travers la galette ; elle n'est pas réellement utilisée comme eau d'infusion (cela vaut également pour les rapports d'infusion inférieurs).
En supposant une phase d'extraction à débit constant et une dose de café de 20 g, les temps de contact entre la mouture de café et l'eau sont les suivants :
Haut de la galette de café -> temps de pré-infusion + temps d'extraction – temps nécessaire pour verser les 20 ml restants (1)
Bas de la galette de café -> temps de versement (une fois la pré-infusion terminée)
Dans cet exemple (DE1 v1.1 et 20 g de café dans un filtre de 18 g), avec un débit constant pendant l'extraction, la pré-infusion devrait être environ deux fois plus courte que la phase d'extraction afin d'obtenir un temps de contact global uniforme pour toutes les moutures de café.
Outre les différences de temps de contact sur la hauteur de la galette, la température d'infusion varie considérablement au sein même de la galette de café. Les paramètres d'influence identifiés sont les suivants :
Des ratios d'infusion plus élevés ont un effet positif, car ils atténuent ce phénomène.
Une pré-infusion et une extraction plus longues augmentent les pertes thermiques et réduisent la température d'infusion réelle (ce qui a donc un effet néfaste sur l'uniformité de la température).
De plus, à mesure que le café est extrait, le liquide obtenu devient plus concentré en composés extraits, ce qui le rend moins efficace que l'eau pure pour effectuer une extraction supplémentaire. Il en résulte, là encore, une extraction moindre de la mouture de café au fond de la galette.
Quant aux irrégularités de température, cet effet devient moins perceptible lorsque le rapport d'infusion augmente.
L'impact (le cas échéant) des débits de pré-infusion et d'extraction sur ce phénomène n'est pas clairement établi.
L'augmentation du rapport de café de 1:1 à 1:3 réduit de moitié l'écart de température entre les moutures du haut et celles du bas.
Cependant, comme l'efficacité d'extraction diminue avec le temps, les avantages réels perçus dans la tasse sont vraisemblablement inférieurs à ceux suggérés par ces valeurs moyennes d'écart.
6.3. Surface lisse de la galette de café après la pré-infusion
Une fois l'extraction terminée, on observe parfois des cratères à la surface de la galette de café.
La cause exacte de ces cratères n'est pas tout à fait claire, mais tenter de les éviter semble être un objectif raisonnable, car ils indiquent qu'un phénomène de canalisation s'est probablement produit pendant l'extraction.
En ce qui concerne la formation des cratères, le tout début de la phase de pré-infusion est probablement l'un des moments les plus critiques : on peut supposer que des gouttelettes d'eau frappant de manière répétée le même endroit à la surface de la galette pourraient créer ce type d'irrégularité.
Pour atténuer le risque de formation de cratères au début de la préinfusion, il est recommandé d'éviter des débits de préinfusion trop élevés ou trop faibles :
Avec des débits élevés (> 5 ml/s), l'eau frappera évidemment la surface avec plus d'énergie.
Avec des débits très faibles (< 1 ml/s), la répartition de l'eau au-dessus de la galette risque d'être sous-optimale.
Une vitesse modérée d'augmentation de la pression après la pré-infusion s'est également avérée efficace pour réduire l'apparition de cratères.
D'autres mesures non liées au débit de pré-infusion (par exemple, la préparation de la galette, l'espace libre, la propreté et le type de douchette) visant à éviter les cratères dans la galette et la formation de canaux en général n'ont pas été analysées.
Pré-infusion de l'expresso : comment l'optimiser
Avec la machine à expresso Decent, le processus de pré-infusion peut être facilement adapté afin de tirer le meilleur parti de chaque gamme de débits et d'améliorer les performances globales de la pré-infusion.
Avec la machine à expresso Decent, outre la possibilité de sélectionner n'importe quelle valeur de débit pour effectuer la pré-infusion, une approche en deux étapes permet d'améliorer encore davantage la régularité du processus : un débit moyennement élevé dans un premier temps, suivi d'une phase à débit plus faible.
Un débit moyennement élevé au tout début de la pré-infusion réduit la durée globale de celle-ci et améliore ainsi l'homogénéité du temps de contact de la galette (ce qui évite un rapport PCT trop élevé).
Un débit faible lors de la deuxième étape de pré-infusion limite la compression de la galette et une augmentation trop brutale de la pression une fois la pré-infusion terminée.
Le passage d'une étape de pré-infusion à l'autre peut facilement être déclenché par un seuil de pression (généralement autour de 1 bar).
Si l'objectif est d'obtenir la pré-infusion la plus homogène possible (et donc l'extraction globale la plus homogène), il est également possible d'ajuster tous les paramètres de pré-infusion et d'extraction (débits, seuils) en tenant compte du tableau proposé (voir le tableau « Meilleurs réglages suggérés pour obtenir un temps de contact avec la galette et une température homogènes »).
Les impacts d'autres paramètres (par exemple, la dose, la préparation de la galette, l'espace libre) seront quantifiés et abordés dans une étude future.
Pré-infusion avancée avec une Decent
Pré-infusion avancée avec un profil de débit standard (1/2)
1. Passage anticipé à la phase d'« extraction » avec un débit réduit (pression de sortie : 4 bars → 1 bar)
2. Un débit initial de pré-infusion plus élevé peut être sélectionné afin de compenser une pré-infusion effective plus longue et d'éviter un rapport PCT trop élevé
Profil de débit standard (2/2)
3. Une mouture plus fine est nécessaire pour maintenir une pression d'extraction maximale (moins de compression de la galette, débit moyen plus faible avant la pression maximale)
4. La montée en pression plus progressive (1,5 bar contre 3,7 bar par seconde) contribue également à réduire le risque de canalisation pendant l'extraction.
Pour une préparation à pression prioritaire, un profil avancé est nécessaire.
Les seuils de pression ciblés des étapes 1 et 2 peuvent être ajustés afin d'obtenir un temps de pré-infusion optimal.
On pourrait envisager une étape supplémentaire entre les phases 2 et 3 (par exemple, une montée en pression pour assurer une transition plus fluide).
Les essais visant à remplacer la phase 2 par une phase « à pression prioritaire » (par exemple, 1 bar) n'ont pas donné de très bons résultats (il est difficile d'obtenir des transitions fluides entre les modes « débit prioritaire » et « pression prioritaire »).
Quel est votre rapport de temps de contact du café moulu (PCT) ?
Formule du rapport PCT :
Rapport PCT = ECTT / ECTB
ECTT (Excess Contact Time of Top grinds, temps de contact excédentaire des moutures du haut) : temps de pré-infusion ECTB (Excess Contact Time of Bottom grinds, temps de contact excédentaire des moutures du bas) : temps nécessaire pour verser l'« eau de café résiduelle ».
Volume d'eau d'infusion résiduelle = environ 1 ml / g de café sec (dose) (2)
Objectif pour le rapport PCT = 1
Rapport PCT < 1 : pré-infusion trop courte
7. Résultats, en résumé
Compression de la galette et mécanique du débit : Des débits de pré-infusion élevés (et des montées en pression rapides) compriment davantage les couches inférieures de la galette, ce qui entraîne des vitesses de fluide plus élevées autour des grains situés au fond et un débit d'extraction subséquent plus faible. Une pré-infusion plus lente assure une densité uniforme de la galette, ce qui réduit la pression maximale pour une mouture identique et nécessite un réglage de mouture plus fin pour s'adapter au débit.
Risques de canalisation : La combinaison d'un débit de pré-infusion élevé et d'une montée en pression abrupte (3,7 bars/s contre 1,5 bar/s) augmente considérablement le risque de canalisation au sein de la galette.
Gradients thermiques et de temps de contact : Une pré-infusion lente (1 ml/s) laisse les moutures du haut s'imprégner pendant 40 secondes avant que le bas ne commence à s'humidifier. Les gradients thermiques sont marqués lors de préparations courtes ; l'augmentation du rapport d'infusion de 1:1 à 1:3 réduit l'écart de température moyen entre le haut et le bas de 28 °C à 14 °C.
Intégrité de la surface : Les cratères sur la galette sont provoqués par des débits initiaux trop élevés (5 ml/s, impact cinétique important) ou trop faibles (< 1 ml/s, répartition sous-optimale de la douchette), ou encore par des pics de pression agressifs après la pré-infusion.
Avantages de la pré-infusion en deux étapes : une pré-infusion variable (débit initial moyen à élevé suivi d'une étape à faible débit déclenchée à 1 bar) optimise l'uniformité du temps de contact tout en limitant la compression de la galette et en évitant les pics de pression.
8. Conclusion
En conclusion, les questions soulevées dans le chapitre « Questions » peuvent être traitées comme suit :
Comment le débit de pré-infusion influence-t-il l'uniformité de la densité des galettes après la pré-infusion et la résistance totale à l'écoulement lors de l'extraction ?
Une pré-infusion rapide compacte les couches inférieures des galettes, ce qui réduit l'espace interstitiel, augmente la vitesse du fluide à la base et accroît la résistance globale à l'extraction. Une pré-infusion plus lente maintient une densité uniforme du lit de café, ce qui nécessite une mouture plus fine pour obtenir une pression et un débit d'extraction équivalents.
Quels paramètres physiques déterminent l'homogénéité du temps de contact et de la température entre les couches supérieure et inférieure du lit de café ?
L'équilibre du temps de contact est régi par l'adaptation de la durée de la préinfusion au temps nécessaire pour verser le volume d'eau de café résiduel. L'homogénéité de la température dépend principalement du rapport de café (des rapports plus élevés, tels que 1:3, réduisent de moitié les écarts thermiques par rapport à un rapport de 1:1) et de durées de préparation plus courtes qui limitent les pertes de chaleur.
Quelles sont les causes de la formation de cratères à la surface après l'extraction, et comment les paramètres de pré-infusion peuvent-ils atténuer ce phénomène ?
Les cratères en surface résultent d'un impact de l'eau à haute énergie à des débits excessifs (> 5 ml/s), d'une mauvaise répartition en surface à des débits très faibles (< 1 ml/s) ou de pentes de pression abruptes après la pré-infusion. Des débits initiaux modérés lors de la pré-infusion (1,5–5,0 ml/s) et des pentes de transition de pression progressives atténuent la formation de cratères.
Comment un profil de pré-infusion en plusieurs étapes à débit variable peut-il optimiser la régularité globale de l'extraction ?
Le fait de démarrer la pré-infusion à un débit moyen-élevé (3,0–5,0 ml/s) permet de saturer rapidement la galette afin de minimiser les espaces de contact entre le haut et le bas. Le passage à un débit plus faible dès que le seuil de 1 bar est atteint empêche une compression excessive de la galette et évite les pics de pression brusques avant l'extraction.
Comment le rapport du temps de contact du marc (PCT) est-il défini, calculé et équilibré mathématiquement ?
Le rapport PCT est défini comme ECTT / ECTB. Il est calculé en divisant la durée totale de la pré-infusion par le temps nécessaire pour verser l'eau de café résiduelle (1 ml par gramme de dose sèche divisé par le débit d'extraction final). Un rapport de 1,0 représente un temps de contact idéal et équilibré sur toutes les couches de la galette ; des valeurs inférieures à 1,0 indiquent une durée de pré-infusion insuffisante.
(1)Probablement légèrement inférieur si l'érosion de la galette était prise en compte (ce qui n'est pas le cas ici)
(2)Probablement légèrement inférieur si l'érosion de la galette était prise en compte (ce qui n'est pas le cas ici)
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