Guter Kaffee ist eine Wissenschaft: Wie die Partikelgrößenverteilung das Espresso-Aroma beeinflusst

Kaffee ist in Deutschland das unangefochtene Lieblingsgetränk: Im Schnitt greift jede Person hierzulande täglich zu fast vier Tassen. Diese enorme Nachfrage macht den Kaffeemarkt zu einem bedeutenden Wirtschaftsfaktor und rückt die Frage nach perfekter Zubereitung in den Mittelpunkt. Besonders bei Spezialitäten wie Espresso, der wiederum die Grundlage für Cappuccino oder Latte Macchiato bildet.

Die Qualität eines Espressos hängt entscheidend vom Mahlgut ab. Zwar bestimmen Röstung und Bohnenmischung den Charakter des Kaffees, doch die Verteilung der Partikelgrößen ist ebenso ausschlaggebend. Sie beeinflusst die Extraktionsfläche für Aromen und Inhaltsstoffe und steuert zugleich, wie Druck und Wasserfluss im verdichteten Kaffeepulver – dem sogenannten Puck – zusammenspielen.

In einem aktuellen IGF-Forschungsprojekt, koordiniert vom Forschungskreis der Ernährungsindustrie (FEI), wurde nun – anknüpfend an das 2022 erfolgreich abgeschlossene IGF-Projekt 20748 N – ein mechanistisches Modell weiterentwickelt. Während es im ersten Projekt darum ging, die Extraktion unter Variation von Temperatur und Durchflussraten vorherzusagen, widmet sich das aktuelle Vorhaben dem Einfluss der Partikelgrößenverteilung, um damit eine wissenschaftlich fundierte Optimierung der Produktqualität zu ermöglichen. 

Eine zentrale Hypothese lautet, dass auch geringe Unterschiede im Anteil feiner vs. grober Partikel messbare Auswirkungen auf die Extraktion haben und sich im sensorischen Profil bemerkbar machen können.

Zusammenarbeit und Methodik dreier Forschungsgruppen der Technischen Universität München bündeln Expertise:

• Professur für Biothermodynamik: Untersuchung des Mahlgrads und der Partikelverteilung auf die Extraktionskinetik.
• Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik: Analyse von zeitlicher und räumlicher Porosität und Entwicklung eines mechanistischen Modells, das den Espresso-Extraktionsprozess unter differierenden Partikelgrößenverteilungen abbildet.
• Lehrstuhl für Lebensmittelchemie und Molekulare Sensorik: Identifikation und Quantifizierung zentraler Geschmacksstoffe sowie Untersuchung ihrer Interaktionen mit hochmolekularen Melanoidinfraktionen (große, komplexe Farbstoffbestandteile aus der Kaffeeröstung).

Experimenteller Aufbau 

Kaffeebohnen werden nach Standardverfahren geröstet, gemahlen und unter konstanten Bedingungen extrahiert. Durch gezielte Variation von Mahlgrad und Partikelmischungen werden Auswirkungen auf Druckverlauf, Durchflussrate, Extraktionskinetik und sensorische Wahrnehmung untersucht. Besonderes Augenmerk gilt der zeitlichen Entwicklung des Kaffeepucks während der Extraktion.

Bildgebende und chemische Analysen 

Mikro-CT-Aufnahmen veranschaulichen die Bewegungen feiner Partikel, Veränderungen der Porenstrukturen und das Entstehen von Sperrschichten, die den Wasserfluss beeinflussen. Die Ergebnisse fließen in ein erweitertes Stofftransportmodell ein, das die Partikelgrößenverteilung berücksichtigt und präzisere Vorhersagen zu Aroma- und Feinpartikelgehalt ermöglicht.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt darin, wichtige Inhaltsstoffe des Kaffees wie Koffein oder bestimmte Säuren genau zu messen. Dafür werden moderne Analyseverfahren eingesetzt, die sehr präzise Ergebnisse liefern. Außerdem wird untersucht, wie diese Stoffe mit den beim Rösten entstehenden Farbstoffen (Melanoidine) zusammenwirken. Solche Verbindungen können den Geschmack verändern – zum Beispiel die Bitterkeit abmildern oder die Säure stärker hervorheben. Zusätzlich wird geprüft, wie viele winzige Partikel im Getränk enthalten sind, da sie die Konsistenz und den Geschmack ebenfalls beeinflussen.

Ausblick und Nutzen 

Das IGF-Projekt schafft eine solide wissenschaftliche Basis für praxisorientierte Verbesserungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette:

• Röstereien können ihre Mahlprozesse präziser steuern,
• Maschinenhersteller gewinnen fundierte Erkenntnisse, um Extraktionssysteme optimal aufeinander abzustimmen und
• Baristas erhalten verlässliche Orientierung, um trotz schwankender Rohstoffe eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten.

Am Ende profitieren vor allem die Kaffeegenießenden von Espresso von einer konstant hohen sensorischen Qualität.

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert (Förderkennzeichen: 01IF23155N).