Protonentransfer-Massenspektrometrie: Kaffee ist seit Jahrhunderten ein weit verbreitetes, wohl geschätztes Getränk, und steckt doch immer noch voller Überraschungen. Jede Tasse Kaffee kann anders sein. Die Vielfalt des Getränks entsteht aus dem Zusammenspiel der grünen Bohnen, dem Rösten und Mahlen, bis hin zu den verschiedenen Zubereitungsformen. Die Röstung spielt dabei eine zentrale Rolle, denn erst hier entstehen, in Abhängigkeit des Temperatur-Zeit-Profils, die typischen Kaffeearomen, deren Bildung on-line mittels PTR-ToF-MS verfolgt werden kann.

Die Röstung

Der Geruch von grünem Kaffee erinnert zunächst an Gras oder Heu, aber nicht an das bekannte Aroma einer Tasse Kaffee. Erst die chemischen Reaktionen, die innerhalb der Bohne beim Röstprozess ablaufen, entlocken dem Kaffee das bekannte Aroma. Die Röstung wird dabei hauptsächlich über zwei Merkmale charakterisiert: den Röstgrad und die Röstzeit. Der Röstgrad wird nach Beendigung des Röstprozesses über Volumenzunahme, Gewichtsabnahme und Farbe der Bohne bestimmt. Letztere variiert mit zunehmendem Röstgrad von hellbraun über dunkelbraun bis fast schwarz, entsprechend einem milden bis kräftigen Kaffee, bis hin zum Espresso.

Die Röstzeit entspricht der Länge einer Röstung. Sie kann schnell, bei hohen Temperaturen, oder langsam, bei niedrigeren Temperaturen erfolgen. „Schnell“ kann dabei 1,5 Minuten auf einem Zentrifugalröster oder fünf Minuten auf dem Trommelröster bedeuten. Die Rösttemperatur (180 °C – 450 °C) wird durch die Heizleistung des Rösters bestimmt. In dieser Arbeit wurden fünf Röstprofile untersucht, beginnend mit einer schnellen Röstung von 5 min, bis hin zu einer langen Röstung von 17 min. Als Röstgrad wurde für alle Röstzeiten ein Farbwert von 70 Punkten (Colorette, Probat) gewählt, entsprechend einer sehr dunklen Espresso- Röstung. Dies erlaubte die on-line Beobachtung des Röstprozesses über einen weiten Bereich. Die verschiedenen Röstprofile unterscheiden sich demnach in der Röstzeit, nicht jedoch im Röstgrad. Abbildung 3 (a) zeigt den Temperatur-Zeit- Verlauf der fünf Röstprofile.

Das Einfüllen der grünen Bohnen in den heißen Röster führt zunächst zu einer Abkühlung innerhalb der Trommel.

Im Laufe der Röstung steigt die Temperatur wieder an, wobei der Wassergehalt der Bohnen von 8–12 % auf wenige Prozent vermindert wird. Im weiteren Verlauf setzen die chemischen Reaktionen ein. Zu Beginn dieser Phase werden aus dem Bohneninnern schlagartig Gase freigesetzt (v.a. H₂O), was durch ein lautes Knacken (1. Crack) hörbar ist. Zu dunklen Röstgraden hin ist erneut ein deutliches Knacken zu hören (2. Crack). Hier entweicht mehrheitlich CO₂, welches in chemischen Reaktionen abgespaltet wurde. Die Röstung wurde bei Temperaturen von 206°C – 210°C beendet, die Bohnen wurden mit Luft gekühlt.

Die Technik – PTR-ToF-MS

PTR-ToF-MS (Protonen-Transfer-Reaktions-Flugzeit- Massenspektrometrie) ist eine dynamische Methode, um flüchtige Verbindungen in geringen Konzentrationen zu analysieren. Dabei werden diese über Protonen-Transfer (Übertrag von H⁺ aus H₃O⁺ auf die Analyten) ionisiert, ohne zu fragmentieren, und im Flugzeitmassenspektrometer anhand ihres Verhältnisses von Masse zu Ladung (m/z) detektiert. Die Hauptbestandteile der Luft (N₂, O₂, CO₂) werden aufgrund ihrer zu geringen Protonenaffinität nicht erfasst, so dass die oft nur in geringen Mengen vorkommenden flüchtigen Verbindungen ohne vorherige Aufkonzentrierung messbar sind. Zur Analyse der Kaffeeröstung wird das PTR-ToF-MS an das Röstabgas des Trommelrösters Probatino (Probat) gekoppelt (Abb. 1).

Über beheizte Leitungenwird das Analysegas mit Luft verdünnt, in das Massenspektrometer eingeleitet und mit einer Zeitauflösung von 1 Hz detektiert. Abbildung 2 zeigt exemplarisch zwei Massenspektren, die während einer 5 min Röstung aufgezeichnet wurden, (a) zu Beginn, (b) am Ende des Röstprozesses, direkt bevor die Rösttrommel entleert wird. Zeit-Aroma-Profil Bisherige Studien zeigten [1,2,3, 4,5,6], dass die Intensität der Kaffeearomen vom Temperatur- Zeit-Röstprofil abhängig ist. On-line Messungen mittels PTR-ToF-MS erlauben dabei einen direkten Einblick in die zeitliche Entwicklung der Aromen im Verlauf der Röstung, mit dem Vorteil einer sehr hohen Massen-Auflösung und der Möglichkeit, alle Verbindungen (mit ausreichend hoher Protonenaffinität) in einem Massenspektrum gleichzeitig zu analysieren.

In Abbildung 3 sind die Ergebnisse der on-line Untersuchung zusammengefasst. Abbildung 3 (a) stellt den Temperatur-Zeit-Verlauf der fünf Röstprofile dar, Abbildung 3 (b) das Zeit-Intensitäts-Profil einer leicht flüchtigen Verbindung C₂H₂OH⁺ im direkten Vergleich mit der Rösttemperatur. Die Bildung setzt beim ersten Crack bei 184 °C ein, nach dem zweiten Crack (205 °C) ist erneut ein deutlicher Anstieg zu beobachten.