Kaffeepulver Charakterisierung von Partikelgröße und Partikelform für guten Geschmack

Kaffeebohnen zählen zu den wichtigsten Handelsgütern, denn täglich werden weltweit geschätzte 1,4 Milliarden Tassen Kaffee getrunken. Der Geschmack des Kaffees wird durch das Rösten der Bohnen, die Mahlung zu Pulver und die Art und Qualität der Zubereitung bestimmt. Verschiedene Zubereitungsarten im Brüh- und Filterprozess (z. B. Espressomaschine, Filterkaffee oder Mocca) erfordern unterschiedliche Mahlgrade des Kaffeepulvers für ein aromatisches Ergebnis. Werden geröstete Kaffeebohnen zu Kaffeepulver gemahlen, kommt der Bestimmung der Korngrößenverteilung eine entscheidende Rolle zu, da diese maßgeblich die Brüh- und Filtereigenschaften und somit den Geschmack und die Bekömmlichkeit des Kaffees beeinflusst.

Bei der Zubereitung von Kaffee gilt es, die optimale Extraktion der Inhaltsstoffe zu erreichen, die beim Brühen durch das heiße Wasser aus dem gemahlenen Kaffee gelöst werden. Je feiner der Kaffee gemahlen ist, desto mehr Inhaltsstoffe lassen sich umso schneller extrahieren. Ist der Mahlgrad nicht optimal mit der Dauer und Temperatur des Brühverfahrens abgestimmt, besteht die Gefahr, dass der Kaffee über- oder unterextrahiert wird. Ein unterextrahierter Kaffee (= zu grobe Mahlung) hat wenig Aroma. Ein überextrahierter Kaffee (= zu feine Mahlung) schmeckt aufgrund zu vieler gelöster Bestandteile (z. B. Gerbsäuren) bitter. Durch die zuverlässige Bestimmung der Korngröße lässt sich ein reproduzierbarer Mahlgrad für das jeweilige Zubereitungsverfahren optimal einstellen, so dass man einen wohlschmeckenden Kaffee mit ausbalancierten Aromen erhält.

Kaffeepulver zeigt durch seinen hohen Ölgehalt, die breite Partikelgrößenverteilung und eine sehr unregelmäßige Kornform ein schwieriges Schüttgutverhalten, d. h. die Partikel neigen stark zur Agglomeration und sind schlecht fließfähig bzw. schwer förderbar. Dies muss bei den mechanischen und optischen Messverfahren ausreichend berücksichtigt werden.

Traditionell wurde die Partikelgrößenverteilung von Kaffeepulver durch Analysensiebung ermittelt; inzwischen hat sich aber das Verfahren der Laserbeugung als Standardmethode etabliert. Allerdings sind beiden Methoden hinsichtlich Aussagekraft, Genauigkeit und Empfindlichkeit gewisse Grenzen gesetzt. Kaffeepulver, besonders wenn es in Kapseln oder Pads verwendet wird, ist jedoch hochgradig auf den jeweiligen Zubereitungsprozess optimiert und muss sehr enge Qualitätsvorgaben einhalten. Diese lassen sich oft nur mit bildgebenden Verfahren überprüfen, welches sehr hochauflösende Größenverteilungen bei gleichzeitig hohem Probendurchsatz liefern.

Messbeispiele von Kaffeepulver und Vergleich mit Laserbeugung und Siebanalyse

Kaffeepulver weist typischerweise breite Korngrößenverteilungen mit ausgeprägtem Fein- und Grobanteil auf. Der Feinanteil liegt dabei unter 200 μm, der Grobanteil kann bis zu 2 mm erreichen.

Durch das patentierte Zwei-Kamera-System und den dadurch sehr breiten dynamischen Messbereich lässt sich bei Kaffeepulver beides mit hoher Auflösung und guter statistischer Sicherheit mit dem CAMSIZER X2 bestimmen. Dies zeigt Abbildung 4 am Beispiel von Kaffeepulver mit unterschiedlichen Mahlgraden.

Bei der Messung wurden die Partikel mit Druckluft im Probenzufuhrmodul X-Jet (Abb. 2) bei 80 kPa dispergiert. Für die Vibrations-Förderung des Kaffeepulvers auf einer Dosierrinne wurden von Microtrac Vorrichtungen entwickelt, die auch bei sehr schlecht fließfähigen Kaffeepulvern die problemlose Zufuhr zur Messung ermöglichen.

Der Röstgrad der Kaffeebohnen beeinflusst deren Sprödigkeit. Gemahlener Kaffee aus spröden Bohnen besteht häufig aus kantigen, bzw. spitzigen Körnen, welche beim verdichteten Kaffee zu geringerer Packungsdichte führen.Sowohl die Korngrößenverteilung als auch die Partikelform beeinflussen die Schüttdichte, die Filter- und Extraktionseigenschaften des Pulvers und damit auch die Qualität des zubereiteten Kaffees.

Die Abbildungen zeigen, dass der CAMSIZER X2 mit der Bildanalyse sowohl Breite, Länge als auch den kreisäquivalenten Durchmesser simultan bestimmt und jeweils als eigene Verteilungskurven ausgeben kann. Aus einer Messung entstehen also mehrere Ergebnisse, basierend auf den drei unterschiedlichen Definitionen von Partikelgröße.

Die Ergebnisse in Bezug auf diese Parameter unterscheiden sich deutlich, was zugleich die unregelmäßige Kornform beschreibt: bei kugelförmigen Partikeln wären die Verteilungen für alle drei Größendefinitionen identisch. Im Vergleich liefert das Ergebnis der Laserbeugung, welche die Partikel als kugelförmig voraussetzt, nur einen Querschnitt über Breite und Länge der Partikel. Dadurch entspricht die Verteilung, welche mittels Laserbeugung erhalten wird, am meisten der Definition „kreisäquivalenter Durchmesser“ der Bildanalyse.

In den beiden Beispielen sind die Medianwerte (d50) gut vergleichbar, gleiches gilt für die Menge an Feinanteil < 200 µm. Laserbeugung ist also durchaus in der Lage, Kaffeepulver einigermaßen zuverlässig zu charakterisierten. Schwierig ist allerdings die korrekte Erfassung von Grobanteil. Da mit zunehmender Partikelgröße die Beugungswinkel immer kleiner werden, ist dies messtechnisch schwieriger zu erfassen.

Die Auflösung der Geräte wird also für große Partikel zwangsläufig schlechter. Außerdem erzeugen geringe Mengen Überkorn möglicherweise nicht genug Signal, um im Ergebnis repräsentiert zu werden. Dies wird im Beispiel rechts besonders deutlich: die Bildanalyse findet Partikel von bis zu 2 mm Länge, das Laser-Ergebnis zeigt keine Partikel > 1200 µm an!

Das Problem bei der Siebanalyse von Kaffeepulver liegt in der schlechten Siebbarkeit des Produktes. Der Ölgehalt führt unweigerlich zu Verklumpungen, Anhaftungen am Siebrahmen und Verstopfung der Siebmaschen. Unterhalb von 200 µm sollte auf jeden Fall Luftstrahlsiebung verwendet werden.

All dies stellt einen hohen zeitlichen Aufwand dar, um eine Größenverteilung zu ermitteln, die letztendlich nicht mehr als acht Datenpunkte (= Anzahl der verwendeten Siebe) umfasst. Beim Vergleich mit der Dynamischen Bildanalyse zeigt sich, dass die Siebdaten sehr gut vergleichbar sind mit der Größendefinition „Partikelbreite“.

Dies liegt daran, dass die Körner sich während des Siebvorgangs so orientieren, dass sie mit ihrer kleinstmöglichen Projektionsfläche durch ein Sieb treten. Siebanalyse ermittelt daher tendenziell die Partikelbreite. Aus diesen Beobachtungen ergibt sich weiterhin, dass ein Vergleich zwischen Siebanalyse und Laserbeugung für unregelmäßig geformte Partikel wie Kaffeepulver kaum sinnvoll und zuverlässig erreicht werden kann.