Partikelmessungen an Kaffeepulver mit dynamischer Bildanalyse
Korngröße und Kaffeegeschmack
Kaffeebohnen zählen zu den wichtigsten Handelsgütern im Lebensmittelbereich. Folgende Verfahren wirken sich deutlich auf den Geschmack von Kaffee aus: das Rösten der Bohnen, das Mahlen zu Pulver und die Art und Qualität der Zubereitung. 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. So erfordern verschiedene Zubereitungsarten im Brüh- und Filterprozess unterschiedliche Mahlgrade des Kaffeepulvers. Ist der Mahlgrad nicht optimal mit Dauer und Temperatur des Brühverfahrens abgestimmt, besteht die Gefahr, dass der Kaffee über- oder unterextrahiert wird. Ein unterextrahierter Kaffee (durch zu grobe Mahlung) hat wenig Aroma. Ein überextrahierter Kaffee (durch zu feine Mahlung) schmeckt aufgrund zu vieler gelöster Bestandteile (z. B. Gerbsäuren) bitter. Die Korngrößen beeinflussen also die Brüh- und Filtereigenschaften und somit den Geschmack und auch die Bekömmlichkeit eines Kaffees. Mit Hilfe der Bestimmung der Korngröße lässt sich ein reproduzierbarer Mahlgrad für das jeweilige Zubereitungsverfahren optimal einstellen.
Kaffeepulver zeigt durch seinen hohen Ölgehalt, die breite Korngrößenverteilung 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. Die Partikelgrößenverteilung von Kaffeepulver lässt sich durch Analysensiebung und Laserbeugungsverfahren ermitteln. Allerdings sind beiden Methoden hinsichtlich Aussagekraft, Genauigkeit und Empfindlichkeit gewisse Grenzen gesetzt. Kaffeepulver, besonders wenn es in Kapseln oder Pads verwendet wird, muss hochgradig auf den jeweiligen Zubereitungsprozess optimiert werden und sehr enge Qualitätsvorgaben einhalten. Diese lassen sich oft nur mit bildgebenden Verfahren überprüfen, die hochauflösende Größenverteilungen liefern können.
Partikelmessung mit Zwei-Kamera-Technologie
Bei der Partikelmessung mit dynamischer Bildanalyse gemäß ISO 13322-2 wird ein Partikelstrom erzeugt und an einem Kamerasystem vorbeigeführt. Die Kameras zeichnen die Schattenprojektionen der Partikel in der Bewegung auf und leiten sie zur Auswertung an den PC weiter. Dieses Verfahren funktioniert für trockene Pulver und für Suspensionen, wobei für Kaffeeproben die Trockenmessung die bessere Variante darstellt. Im Folgenden werden Beispielmessungen an Kaffeepulvern gezeigt, die mit einem Camsizer-X2-Gerät durchgeführt wurden. (Bild 1 zeigt den prinzipiellen Ablauf einer solchen Messung mit diesem Bildanalysesystem.) Das Gerät hat zwei Kameras mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben, wodurch kleine und große Partikel gleichzeitig analysiert werden können, ohne vorherige Einstellung des Messbereiches, z. B. durch die Auswahl geeigneter Objektive. Dies ist ein großer Vorteil für die Analyse von Kaffeepulver, welches üblicherweise eine sehr breite Größenverteilung vom unteren Mikrometerbereich bis zu zwei Millimeter aufweist. Das hier verwendete System wertet während der Messung bis zu 310 Bilder pro Sekunde aus, was durch die große Anzahl an detektierten Partikeln zu sehr stabilen und reproduzierbaren Ergebnissen führt. Die übliche Dauer einer Messung beträgt zwei bis fünf Minuten.
Der Vorteil des Zwei-Kamera-Prinzips ist in Bild 2 veranschaulicht. Das Diagramm zeigt die Größenverteilung in einer Kaffeepulver-Probe, gemessen mit beiden Kameras und die Ergebnisse aus Messungen an derselben Probe nur mit Basic-Kamera und nur mit Zoom-Kamera. Die Zoom-Kamera erfasst den Feinanteil, aber aufgrund des kleinen Bildbereichs nur wenige große Partikel, was an den starken Sprüngen in der Verteilung zu erkennen ist. Die Basic-Kamera kann den Feinanteil aufgrund der schlechteren Auflösung nicht korrekt erfassen. Beide Kameras ergänzen sich, wodurch die tatsächliche reale Größenverteilung besser erfasst wird.
Messbespiele mit Laserbeugung und Siebanalyse
Bild 3 zeigt am Beispiel von Kaffeepulver mit unterschiedlichen Mahlgraden, dass sich mit dem Zwei-Kamera-System Kaffeepulver charakterisieren lässt. Bei der Messung wurden die Partikel mit Druckluft im Probenzufuhrmodul X-Jet (s. Bild 1) bei 80 kPa dispergiert. Für die Vibrations-Förderung des Kaffeepulvers auf einer Dosierrinne wurden spezielle Vorrichtungen entwickelt, so dass auch schlecht fließfähige Kaffeepulver sich gut zur Messung zuführen lassen. Der Röstgrad der Kaffeebohnen beeinflusst deren Sprödigkeit. Gemahlener Kaffee aus spröden Bohnen besteht häufig aus kantigen bzw. spitzigen Körnen, die 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. Mit der Camsizer-X2-Bildanalyse wurde an verschiedenen Kaffeeproben sowohl Breite, Länge als auch der kreisäquivalente Durchmesser simultan bestimmt und jeweils als eigene Verteilungskurve ausgegeben (s. Bilder 4a und 4b). Eine Messung liefert 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, die mittels Laserbeugung erhalten wird, am meisten der Definition "kreisäquivalenter Durchmesser" der Bildanalyse. In den beiden Beispielen in Bild 4 sind die Medianwerte (d50) gut vergleichbar; Gleiches gilt für die Menge an Feinanteil <200 μm.
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 Laser-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 Messbeispiel in Bild 4b deutlich: Die Bildanalyse findet Partikel von bis zu 2 mm Länge, das Laser-Ergebnis zeigt keine Partikel >1 200 μm an.
Das Problem bei der Siebanalyse von Kaffeepulver liegt in der schlechten Siebbarkeit des Produktes. Der Ölgehalt führt zu Verklumpungen, Anhaftungen am Siebrahmen und Verstopfung der Siebmaschen. Unterhalb von 200 μm sollte auf jeden Fall Luftstrahlsiebung verwendet werden. All dies bedeutet einen hohen zeitlichen Aufwand, um eine Größenverteilung zu ermitteln, die letztendlich nicht mehr als acht Datenpunkte (entspricht der Anzahl der verwendeten Siebe) umfasst. Beim Vergleich mit der dynamischen Bildanalyse zeigt sich, dass die Siebdaten mit der Größendefinition "Partikelbreite" sehr gut vergleichbar sind (s. Bild 5). Dies liegt daran, dass sich die Körner 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.
Zusammenfassung
Mit verschiedenen Messungen an Kaffeeproben konnte gezeigt werden, dass sich dynamische Bildanalyse für die Partikelgrößenuntersuchungen von Kaffeepulver eignet und mit einem Zwei-Kamera-System ein Messbereich realisiert, der die breite Größenverteilung von Kaffeepulver in einer Analyse erfassen kann. Durch die simultane Verwendung von zwei Kameras mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben werden Fein- und Grobanteil korrekt erfasst. Beide Kameras tragen zum Messergebnis bei, die Berechnung der Größenverteilung geschieht automatisch. Bei Kaffeepulver ist es wichtig, die gesamte Verteilung möglichst genau zu erfassen, um das Extraktionsverhalten, die Menge an gelösten Substanzen und somit letztlich den Geschmack abschätzen zu können. So werden Camsizer-Daten beispielsweise benutzt, um Mahlwerke von Kaffeevollautomaten werkseitig korrekt einzustellen, damit die für den Brühprozess optimale Partikelgrößenverteilung erzielt wird.
AUTOR
Kai Düffels
Microtrac Retsch GmbH, Haan
Tel.: 02104/2333-300
Microtrac Retsch GmbH
[email protected]
www.microtrac.com
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