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Impressum
Einfluss des Quenchvorganges auf das Mahlverhalten von Kaffee
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 13372 N
Laufzeit: 01.01.2002
- 31.12.2005
Fördersumme: 426.000 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Am Ende der Röstung von Kaffeebohnen, wenn der gewünschte Röstgrad erreicht ist, wird die Kaffeecharge gekühlt. Diese erzwungene Kühlung, die als Quenchen (Abschrecken) bezeichnet wird, ist notwendig, um den Röstkaffee in dem momentanen Röstzustand zu erhalten, indem die in der Bohne bei hohen Temperaturen ablaufenden exothermen Röstreaktionen durch Temperaturabsenkung abgebrochen werden. Industriell wird mit kalter Luft oder mit Wasser verschiedener Temperaturen gequencht. Der Quenchprozess beeinflusst die Kaffeequalität dadurch, dass der geringen Wärmeleitfähigkeit in der Kaffeebohne große Wärmeübergänge an ihrer Oberfläche entgegenstehen, was zu Inhomogenitäten bezüglich des Röstzustandes und damit zu einer inhomogenen Röstqualität führen kann. Darüber hinaus findet bei Quenchung mit Wasser ein Stofftransport in die Kaffeebohne hinein statt, der zu einer begrenzten Erhöhung des Wassergehaltes der Kaffeebohne führt. Die Homogenität und der Feuchtegehalt bzw. die Feuchteverteilung in einer Kaffeebohne beeinflussen die Mahlbarkeit des Röstkaffees. Da bei unterschiedlichen Feuchtebereichen in der Kaffeebohne stark abweichendes Bruchverhalten mit dementsprechend unterschiedlichen Korngrößen auftreten kann, wird eine in Rösterkreisen als Ruhezeit benannte Verweilzeit zwischen dem Quench- und dem Mahlprozess eingehalten, in der sich Feuchtegradienten innerhalb der Kaffeebohne wieder ausgleichen können. Die Korngrößenverteilung des aus dem Mahlprozess hervorgehenden Kaffeemehls ist ein wichtiges Qualitätskriterium hinsichtlich der nachfolgenden Extraktion. Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Zusammenhang zwischen dem Quenchprozess, der Feuchte- und Fettverteilung bzw. dem Feuchteund Fettgehalt, der Ruhezeit und dem Mahl- und Bruchverhalten bzw. der erhaltenen Korngrößenverteilung aufzuklären. Hierzu wurden sowohl die physikalischen Vorgänge während des Quenchprozesses, vor allem der Temperaturverlauf, als auch die Auswirkungen der Eigenschaften unterschiedlich gekühlter Röstkaffeechargen auf die Bruchfestigkeit und die Korngrößenverteilung des gemahlenen Kaffees untersucht.
Forschungsergebnis:
Beim Immersionsquenchen findet bei den industriell relevanten Parametern der Röstung und Quenchkühlung an der Oberfläche der Kaffeebohnen eine Siedekühlung durch Blasensieden statt. Infolge eines intensiveren Kontakts mit flüssigem Quenchmedium sind bei der Tauchkühlung mit kälterem Wasser höhere Wärmeübertragungsraten zu erzielen. Die Abkühlung durch spray quenching erfolgt deutlich schneller aufgrund immer wieder auftreffender und an der Oberfläche verdampfender Tropfen. So führt auch warmes, damit schneller verdampfendes Wasser zu schnellem Abkühlen des Röstkaffees. Die Temperaturen sinken im Bohnenzentrum von ca. 230 °C auf 100 °C innerhalb einer Sekunde. Dann kommt es zum Verharren bzw. zu einer kurzzeitigen, leichten Erwärmung der Kaffeebohne infolge deutlich geringeren Wärmeübergangs ohne Verdampfung unterhalb 100 °C sowie exothermer Kondensation von Feuchte. Eine Luftkühlung führt im Bohneninneren erst nach etwa 15 s zum Unterschreiten des Temperaturbereichs exothermer Röstvorgänge. Die während der Quenchkühlung auftretenden Effekte und das sich ergebende instationäre Temperaturfeld in der Kaffeebohne konnten durch Berechnungen mit entsprechenden Modellansätzen aufgezeigt und nachvollzogen werden.
Sowohl für den Wärmeübergang als auch für die Befeuchtung des Kaffees sind die Benetzungseigenschaften auf der Bohnenoberfläche entscheidend. Die Untersuchung der Benetzung von erkalteten Röstkaffeebohnen mit Wasser zeigt deutlich den Einfluss von Fett- und Wassergehalt in Oberflächennähe. Der Stofftransport von Wasser in die Kaffeebohne hinein ist in teilentfetteten Kaffeebohnen verbessert. Die Benetzbarkeit hängt hingegen stark von der Feuchte ab. So ist die Oberfläche kalt gequenchter Kaffeebohnen besser benetzbar als die trockenere Oberfläche luft- und heißwassergekühlten Kaffees.
Während des Quenchprozesses selbst erhöhen hohe Umgebungs- und Wassertemperaturen die Benetzbarkeit, so dass deren geringeres Kühlvermögen partiell kompensiert wird. Auch die Wiederbefeuchtung des Röstkaffees, durch Stofftransport dampfförmigen und/oder flüssigen Wassers in die Kaffeebohnen hinein, wird bei gleichen Wassermengen durch die Temperaturerhöhung des Wassers begünstigt. Masse, Feuchtegehalt, Dichte und in geringem Maße das Volumen von Kaffeebohnen nehmen während der Quenchkühlung mit zunehmender Menge aufgegebenen Wassers zu. Der Einfluss der Wassermenge auf das Bruchverhalten und die Korngröße frisch gemahlenen Röstkaffees ist gegenüber dem grundsätzlich feiner und mit weniger Aufwand zu zerkleinernden luftgekühlten Kaffee gering. In der dem Quenchprozess folgenden Ruhezeit jedoch sind die Veränderungen der mechanisch-physikalischen Eigenschaften von wassergekühltem Röstkaffee umso geringer, je höher die Wassertemperatur ist.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
