Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellgestützte Optimierung verfahrenstechnischer Aspekte bei der Kaffeeextraktion

Kaffee ist als Handels- und Konsumgut von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Im wissenschaftlichen Verständnis der gesamten Verarbeitungskette von Kaffee bis zum fertigen Getränk gibt es jedoch noch erhebliche Wissenslücken, was die Verfahrenstechnik der Kaffeeextraktion anbelangt. Dabei ist der Schritt der Zubereitung des Kaffeegetränks die letzte Eingriffsmöglichkeit, in der die Qualität und die Charakteristika des finalen Getränks beeinflusst werden können. Neben einer großen Auswahl an Mühlen zur Zerkleinerung des Kaffees existieren auch bereits Kaffeemaschinen, die eine dynamische Regelung der Extraktionstemperatur und des Wasserstromes bzw. des Wasserdrucks erlauben. Es fehlt aber an geeignetem Prozesswissen, um diese neuen Eingriffsmöglichkeiten zur Qualitätsoptimierung gezielt nutzen zu können.

Ziel des Vorhabens ist es, über ein mechanistisches Prozessmodell Vorhersagen zur gezielten Beeinflussung der Kaffeeextraktion zu machen. Steuergrößen sind hierbei die Wassertemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit sowie die Partikelgröße des gemahlenen Kaffees. Das mechanistische Prozessmodell soll über umfangreiche experimentelle Daten, v. a. Zeitreihen, die die Dynamik des Extraktionsprozesses erfassen, parametriert werden; parallel hierzu findet eine sensorische Evaluierung der erhaltenen Kaffeegetränke statt. Das Modell soll zur rechnergestützten Prozessverbesserung verwendet werden, um das Aromaprofil von Kaffeegetränken in eine bestimmte Richtung zu entwickeln.

Deutschland ist einer der größten Kaffeemärkte der Welt; der Umsatz der Branche, die fast ausschließlich aus KMU besteht, beträgt ca. 5 Mrd. €/p.a. Die Ergebnisse eröffnen KMU die Möglichkeit zur Entwicklung neuer Produkte und neuartiger Designs von Kaffeepads und -kapseln.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Projekts mit Hilfe eines mechanistischen Modells den Einfluss der Steuergrößen Temperatur, Durchflussrate und Partikelgröße auf die Kaffeeextraktion zu beschreiben wurde erreicht. Die Steuergrößen wurden innerhalb einer Temperatur von 80-98 °C, einer Durchflussrate von 1-3 ml/s und einem mittleren Durchmesser von 70-80 Mikrometer variiert. Entgegen der ursprünglichen Erwartungen auf Basis der Literatur waren die Einflüsse der drei Steuergrößen sowohl für schwer-flüchtige Bitterstoffe und Säuren, als auch für flüchtige Aromastoffe gering bis nicht statistisch signifikant. Dieser Mangel an statistisch signifikanten Unterschieden wurde durch sensorische Analysen eines trainierten Panels und im Rahmen einer Konsumentenstudie aus untrainierten Teilnehmern bestätigt. Qualitativ unterschieden sich die Effekte der Temperatur je nach Substanz,. Für Aromastoffe und Bitterstoffe wurde teilweise eine geringfügig höhere Konzentration bei höherer Temperatur detektiert. Eine Erhöhung der Durchflussrate führte meist zu einer geringeren Konzentration der Aromastoffe und nicht-flüchtigen Stoffen. Die Partikelgröße hatte innerhalb des untersuchten Bereichs entweder keinen oder einen nicht-monotonen Einfluss auf die Stoffkonzentrationen. Sensorisch wurde mit Erhöhung der Temperatur eine Verstärkung des Sauergeschmacks und ein weniger stark ausgeprägter fruchtiger Aroma-Eindruck beobachtet. Die Vorhersagen des Modells bzgl. der Konzentrationsänderungen schwer-flüchtiger Stoffe während der Extraktion wurden experimentell sowohl für konstante Steuerung als auch für dynamische Gradienten-Steuerung validiert. Auf Basis der Modellvorhersagen wurde ein Espresso Brewing Control Chart und eine zugehörige App erstellt. Dieses Software-Tool ermöglicht Anwendern in Form einer graphischen Benutzeroberfläche eine leichtere Zugänglichkeit der Forschungsergebnisse und die Nutzung der Erkenntnisse zur Optimierung von Zubereitungsmethoden und Maschinen sowie die Schulung von Mitarbeitern.