Kaffeerösten, ein Kompendium – Teil 2

Posted:  January 1st, 2011 by:  wolfram comments:  4

Dies ist der zweite Teil des Kompendiums über das Thema Rösten von Kaffee. Im ersten Teil bin ich auf einige allgemeine Aspekte eingegangen und habe den Rahmen geschaffen, den ich nun weiter ausfüllen möchte. In diesem Teil gehen wir die Themen praxisorientiert an und gehen den Röstprozess schrittweise durch. Wie ich zuvor ausgeführt habe, geht es darum, den Röstprozess kontrollieren zu können. Um dies zu tun, ist es notwendig, die Vorgänge während des Röstens zu verstehen. Ohne etwas Hintergrundinformationen kommen wir an dieser Stelle daher nicht aus. Zwei Aspekte sind für uns interessant:

  • die thermischen Prozesse, die uns die Steuerung des Röstvorgangs erlauben und
  • die chemischen Prozesse, die während der Röstung als Resultat ablaufen.

Die chemischen Prozesse habe ich bereits beschrieben, man spricht hierbei von der Maillardreaktion, einer Kettenreaktion vieler kleiner chemischer Prozesse, die den Kaffee über die Röstung verändern. An dieser Stelle möchte ich die Beschreibung der thermischen Prozesse ergänzen, hierzu ist ein kleiner Ausflug in die Thermodynamik notwendig.

Zwei Aspekte der Thermodynamik sind von besonderem Interesse:

  • die Arten der Wärmeübertragung (Transportwege der Wärme) und
  • Kennzahlen über die zur Röstung benötigte Energiemenge (Wärme).

Die Übertragung von Wärme geschieht immer von dem Medium mit dem höheren Potential zu dem mit dem niedrigeren, Wärme vom heißeren Medium wird an das kältere abgegeben. Die Übertagung der Wärme kann über drei Wege erfolgen:

  • Wärmeleitung, die direkte Übertragung von Wärme bei direktem Kontakt der beiden Medien,
  • Wärmestrahlung, die von einem Medium abgestrahlte Wärme, die von einem anderen aufgenommen wird und
  • Konvektion, die Übertragung von Wärme über ein Gasgemisch, im Falle des Röstens in einem Trommelröster ist dies Luft.

Alle drei Übertragungsformen treten beim Rösten auf, relevant für uns ist jedoch nur die Konvektion. Wärmeleitung tritt zwischen Rösttrommel und Kaffee und den Bohnen untereinander statt, ebenso wie die Strahlung. Der Großteil der zugeführten Wärme wird jedoch über Konvektion übertragen. Der Brenner heizt die Luft auf, die den Kaffee durchströmt, die Masse des Rösters und die darin gespeicherte Wärme dient dabei der Stabilisierung der Temperatur.

Um zu verstehen, welchen Einfluss die Wärme auf den Kaffee hat, sind zwei Kennzahlen [1] zu Rohkaffee wichtig:

  • Wärmeleitfähigkeit, diese gibt an, wie gut Rohkaffee Wärme transportieren kann. Der Wert von Rohkaffee liegt mit 0,14 W/K m sehr niedrig.
  • Wärmekapazität, diese gibt an, wieviel Wärme gespeichert werden kann. Der Wert liegt bei 2,5 kJ/kg/°C.

Die Wärmeleitfähigkeit sagt aus, dass Kaffee ein sehr schlechter Wärmeleiter ist (Kupfer, ein sehr guter Wärmeleiter, besitzt im Vergleich einen Wert von 399 W/K m). Für den Röstprozess ist das wichtig, da man verstehen muss, dass Kaffee von außen nach innen duchröstet und dieser Prozess – wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit – langsam abläuft. Kurzzeitröstungen bei hohen Temperaturen führen zu ungleich gerösteten Bohnen, die außen tendenziell zu dunkel und im Kern roh oder nur leicht angeröstet sind. Als Fazit hieraus muss man sich merken, dass ein sanfter und längerer Temperaturanstieg immer die (signifikant) besseren Ergebnisse liefert.

Die Wärmekapazität verwenden wir für einen Aspekt, den ich im ersten Teil des Kompendiums noch ausgespart habe: die Wichtigkeit der Temperatur des Rohkaffees vor dem Einfüllen in den Röster. Was wir bisher erreicht haben (sollten), ist eine stabile und konstante Ausgangsbasis für unsere Röstung zu schaffen (Röster). Nicht betrachtet haben wir hierbei die Temperatur des Kaffees, bevor dieser in roher Form in den Röster gefüllt wird. Je nach Chargengröße und der Wärmekapazizät des Rösters hat diese Temperatur allerdings einen großen Einfluss auf den gesamten Röstverlauf. Wer sich mit den folgenden Details nicht herum schlagen möchte, sollte lediglich versuchen, die Temperatur des eingefüllten Rohkaffees ebenso konstant zu halten – entsprechend der Temperatur, die bei der Erstellung des Röstprofils gegeben war – wie die des Rösters selbst. Wer es etwas genauer haben möchte, findet einige Details im folgenden Abschnitt, alle anderen können diesen überspringen.

Wie wirken sich unterschiedliche Temperaturen des Rohkaffees auf die Röstung aus?

Jedes Material besitzt eine bestimmte Wärmekapazität, die angibt, wieviel Energie notwendig ist, um dessen Temperatur um 1°C zu erhöhen. Für Rohkaffee nehme ich den zuvor erwähnten Wert von 2,5 kJ/kg/°C an. Dieser Wert bedeutet, dass man 2,5 kJ (Kilojoule) Wärmeenergie benötigt, um die Temperatur des Rohkaffees um 1°C zu erhöhen. Der Gesamtbedarf der benötigten Energie berechnet sich wie folgt:

Q = m * cp * deltaT
Wärme (Q) = Masse (m) * Wärmekapazität (cp) * Temperaturdifferenz (deltaT)

Was bedeutet dies für die Praxis?

Je nach Lagermöglichkeiten für den Rohkaffee, können große Temperaturunterschiede beim Rohkaffee auftreten. Zwischen Sommer und Winter kann die Temperatur deutlich schwanken, gehen wir für ein Beispiel von einer Differenz von 10°C aus. Gehen wir weiterhin davon aus, dass wir mit einer Chargengröße von 15 kg arbeiten. Was uns nun interessiert, ist die Menge an Wärme, die benötigt wird, um den Temperaturunterschied von 10°C auszugleichen. Nun greifen wir auf die zuvor aufgeführte Formel zurück und tragen dort unsere Chargengröße (die zu erwärmende Masse), die Wärmekapazität für Rohkaffee (dies ist eine Näherung) und den auszugleichenden Temperaturunterschied ein.

Q = 15 kg * 2,5 kJ/kg/°C * 10°C = 375 kJ

Es wird eine Wärme von 375 kJ benötigt, um den Temperaturunterschied auszugleichen. Diese Wärme muss durch den Brenner zusätzlich erzeugt werden. Gehen wir von einem Brenner aus, der 6,5 kWh an Brennleistung liefert. Umgerechnet auf Joule sind dies 23400 kJ (1 kWh = 3600 kJ), die in einer Stunde an Leistung durch den Brenner erzeugt werden kann. In der Minute sind dies 390 kJ (23400 kJ / 60 min), also annähernd der Wert, den wir ausgleichen müssen.

Was bedeuten diese Zahlen nun konkret?

Um den Temperaturunterschied auszugleichen, müssen wir den Brenner eine Minute lang zusätzlich auf voller Leistung laufen lassen. Dies verändert nicht nur die Röstdauer, sondern verschiebt sämtliche Röstparameter insgesamt. Der Wärmeaufladung des Rösters wird sich deutlich von der unterscheiden, bei der der Röster nicht eine Minute zusätzlich bei voller Brennleistung gefahren wurde. Dies wird den Röstprozess beschleunigen und zu einer anderen Temperaturkurve führen. Zudem verändert sich der Feuchtegehalt des Kaffees deutlich und dadurch seine Rösteigenschaften. Kurz: das ursprüngliche Röstprofil kann bei solchen Temperaturunterschieden nicht wiedergegeben werden.

Beenden wir den Exkurs und beginnen mit der Röstung.

Alle Angaben, die ich in diesem Posting mache, basieren auf einem Giesen W6 Trommelröster, auf dem ich arbeite. Andere Röstmaschinen nutzen abweichende Messinstrumente und andere Messpunkte, wodurch sich die gemessenen Temperaturen unterscheiden können. Um die folgenden Betrachtungen auf den eigenen Röster übertragen zu können, müsst Ihr diese zunächst umrechnen. Vergleicht über mehrere Röstungen hinweg, wie sich Euer Röster verhält und übertragt meine Ergebnisse dann sinngemäß auf Euren Röster.

Während der Röstung verändert sich der Kaffee von seinem rohen Zustand in das fertig geröstete Produkt. Hierbei verändert sich nicht nur die Farbe von grün zu gelb und braun, sondern auch die geschmacklichen Attribute und die Aromen entstehen. Neben der Maillardreaktion, die massgeblich für die Aromabildung und Farbgebung verantwortlich ist, sind folgende einfache Zusammenhänge wichtig.

  • Rohkaffee besitzt einen hohen Anteil an Chlorogensäure, neben einigen weiteren nicht so dominanten Säuren. Säuren sind aggressiv, unbekömmlich und sorgen auch in schwachen Konzentrationen noch dafür, dass der Kaffee als sauer wahrgenommen wird. Säuren bauen sich über den Röstverlauf hin ab. Je länger eine Röstung läuft, desto säureärmer wird der Kaffee.
  • Die im Rohkaffee vorhandenen Zucker karamellisieren über den Röstverlauf, dies lässt sich nicht verhindern. Steuern kann man jedoch, wie weit die Karamellisierung fortschreitet und wieviele Bitterstoffe hierbei entstehen.
  • Je länger ein Kaffee geröstet wird, desto dunkler wird dieser, die Fasern der Kaffeebohne beginnen mehr und mehr zu verbrennen und es entstehen die typischen Röstaromen. Der Effekt, dass Röstaromen alle anderen Eindrücke verdecken, wird in der industriellen Fertigung verwendet, um Defekte minderer Kaffeequalitäten zu verstecken.

Etwas vereinfacht betrachtet kann man sich für die genannten Punkte einen Schieberegeler vorstellen, mit dem zwischen zwei Extremen gewählt werden kann. Am einen Ende befindet sich der rohe Kaffee, mit seinen starken Säuren, am anderen Ende der sehr dunkel geröstete Kaffee, der bitter ist und starke Röstaromen besitzt. Bei der Röstung geht es nun darum, den Punkt zu finden, an dem die Säure angenehm spritzig ist, ganz verschwinden soll diese nicht, sich Röstaromen und Bitterstoffe aber nicht zu sehr haben entwickeln können. Zur besseren Planung unterteilt man den Röstvorgang in die folgenden Abschnitte und Zeitpunkt:

  • Die erste Phase der Röstung bezeichnet man als Trocknungsphase. In dieser verliert der Rohkaffee Feuchtigkeit, bedingt durch die zugeführte Wärme. Der Feuchtegehalt des Kaffees reduziert sich von anfänglich 12% bis 13% auf ca. 5%. Innerhalb dieser Phase verändert sich die Farbe des Rohkaffees von einem grünen hin zu einem gelben und später leicht braunen Farbton.
  • Der erste Crack ist vergleichbar mit dem Aufpoppen von Popcorn. Durch die Wärmezufuhr entsteht innerhalb der Bohnen ein hoher Druck, primär durch das sich immer weiter ausdehnende und langsam in den gasförmigen Zustand übergehende Wasser. Bei einem Druck von ca. 6 bar entlädt sich dieser mit einem lauten Knacken, zeitgleich erhöht sich das Volumen der Kaffeebohne deutlich (die Bohne wird größer).
  • Die Aromabildung geschieht maßgeblich in der Zeit zwischen dem ersten Crack und dem Ende der Röstung. Verantwortlich hierfür ist die Maillardreaktion. In dieser Phase ist die Steuerung der Temperatur besonders wichtig. Grobe Fehler in der Steuerung in den vorherigen Phasen lassen sich zu diesem Zeitpunkt nicht mehr ausgleichen.
  • Zum Röstende muss umgehend die Kühlung erfolgen, um den Röstprozess und die in den Bohnen ablaufende Maillard-Reaktion zu beenden.

Wer bereits geröstet oder sich mit dem Thema auseinander gesetzt hat, hat sicherlich bemerkt, dass in meiner Auflistung der zweite Crack gefehlt hat. Der zweite Crack tritt, wie man dem Namen bereits entnehmen kann, nach dem ersten Crack auf und entspricht eher einem knisternden Geräusch, das man hört, wenn der Kaffee lange und bei höherer Temperatur geröstet wird. Hierbei entstehen viele Risse in der Bohne und deutliche Röstaromen treten auf. Für mich ist der zweite Crack ein “no-go”, ich röste niemals bis zu diesem Punkt und empfehle das auch nicht. Röstaromen sind einfach zu erzielen, schwierig ist es hingegen, die Charaktermerkmale eines Kaffees nuanciert heraus zu arbeiten. Wer dennoch eine dunkle Röstung bevorzugt, sollte darauf achten, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Crack mindestens vier Minuten liegen. Läuft der Kaffee bei der Röstung direkt von dem ersten in den zweiten Crack, erhält man einen stark verbrannten Kaffee, der im schlimmsten Fall noch einen sehr hohen Säureanteil besitzt.

Werte für den ersten Zeitraum bis zum ersten Crack bewegen sich zwischen sieben und zehn Minuten. Werte für den zweiten Zeitraum ab dem ersten Crack bewegen sich zwischen zwei und sechs Minuten. Daraus lässt sich ableiten, dass eine Röstung gesamt zwischen neun und 16 Minuten dauert. Bisher klingt das recht einfach, das kann also noch nicht alles sein. Ein Aspekt sind die Chargengrößen, mit denen gearbeitet wird. Je mehr Kaffee gleichzeitig geröstet wird, desto länger wird tendenziell der Röstprozess, da die Wärmeübertragung auf die Bohnen wegen der größeren zu erhitzenden Masse länger dauert. Bei großen Röstchargen sinkt zudem die Flexibilität, mit der man in den Röstprozess eingreifen kann. Aus diesen Gründen eigenen sich große Röster nicht für die Herstellung von Raritäten (z.B. sogenannter Microlots), da bei diesen meist mit einem progressiverem (kurze und intensive Wärmezufuhr) und differenzierterem Röstprofil gearbeitet wird.

Für den allgemeinen Ablauf der Röstung verweise ich auf einige Artikel, die ich bereits zuvor verfasst habe.

Referenzen:

[1] C. Fischer: Kaffee, Änderungen physikalisch-chemischer Parameter beim Rösten, Quenchen und Mahlen: Cuvillier Verlag, 2005, Göttingen
4 Comments

Posted By: Lukas On: February 05, 2011 At: 6:11 pm

Hallo Wolfram, und WOW! Ich habe selten (lies: noch gar nicht) einen so fundierten und aus Erfahrung gespeisten Artikel, und noch dazu in deutscher Sprache, über das Kaffeerösten gelesen. Ich ziehe meinen Hut und freue mich, hier mitlesen zu dürfen!

Gruss,
Lukas

Posted By: wolfram On: February 12, 2011 At: 2:37 pm

Danke, schön, dass jemand meine geistigen Ver(w)irrungen gebrauchen kann 🙂

Posted By: Anonymous On: April 04, 2011 At: 9:52 am

[…] […]

Posted By: DINGES Erhard On: July 14, 2011 At: 4:43 pm

Schließe mich dem Lob gerne an.
Wie immer geht es auch hier sehr oft um die Details und um die Trennung von Glauben, Erfahrungen und Wissen.
Echtes Röstwissen lässt sich durch Dokumentation recht gut reproduzieren und dadurch verifizieren.
(Ich verwende ARTISAN)
Die angegeben Zeiten sind wohl Erfahrungswerte –
optimale Dauer der Phasen, der Gesamtzeit, Höhe der adäquaten Energiezufuhr etc.
Feuchtigkeit der Bohnen und Luftführung scheinen auch wichtige aber wenig einheitliche Themen zu sein.
Manche sagen, man nöge bis 160° BT das Abluftventil zu lassen und Ventilator aus.
Ab dann leichten Zug geben und vor Beginn C1 vollen Zug.
Kann das stimmen und was sollte es bewirken?
Wo soll man bei einem Trommelröster die Temp. messen –
Die BT wohl in der Bohnenmasse, die ET im Abzug?
Oder irgendwo in der Trommel, wo die Bohnen nicht hinkommen?
Wie hoch soll das Temp. gefälle (ET zu BT) im Lauf einer Röstung sein?
Was passiert, wenn ich zu wenig Wärme zuführe, was, wenn zu viel?
Ich hab schon etliche Chargen in meinem HUKY 500 ofl. versengt, weil die Einstiegstemp zu hoch war – die blieen fleckig und gingen auch nicht gut auf!
und dann auch etliche “gebacken” , weil ich zu lasch war.
Wobei die Aromen aber gar nicht “schlecht” waren.

Gerne würde ich dazu mehr Details erfahren.
Auch Willem Boot hat dazu einiges beigetragen und mein Verständnis vermehrt.
Für mich ist die Trocknungsphase aber noch immer nicht ganz klar.

Liebe Grüße aus der Oststeiermark!

Erhard DINGES

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