Kaffee aus Sicht des Chemikers

I Einleitung

Kaffee ist ein Importgut aus den tropischen Zonen der Erde. Je nach Anbaugebiet und Herkunft unterscheidet er sich in Geschmack, Aroma und Preis.

Zwei der wichtigsten Kaffeearten heißen:

-coffea arabica (Hochlandkaffee)
-coffea robusta (Tieflandkaffee)

Urspr. war die Kaffeepflanze ein 10-25 m hoher Baum, doch in den Kaffeeplantagen ist sie auf Strauchhöhe zurückgeschnitten. In den Plantagen werden ein bis zweimal im Jahr die reifen roten Kaffeefrüchte per Hand geerntet. Anschließend wird das Fruchtfleisch entfernt und die getrockneten beige-grünen Kaffeebohnen in 60kg Säcken zum Export verpackt.

Kaffee ist in Dtl. das zweithäufigste Importgut und mit einem Durchschnittsverbrauch von 190 Litern pro Kopf im Jahr eines der Lieblingsgetränke der Deutschen. Der Grund dafür ist die anregende Wirkung und der Geruch des Kaffees.

Eine weitere Besonderheit des Kaffees ist die für ein Nahrungsmittel ungewöhnlich hohe Verarbeitungs- und Rösttemperatur von 220-250 °C. Deswegen und wegen der physiologischen Wirkung gab es früher oft behördliche Verbote und ärztliche Warnungen. Er breitete sich aber seit Beginn des 17. Jahrhunderts durch den Segen von Papst Clemens VII. über ganz Europa aus.

II Inhaltsstoffe des Kaffees

1. Coffein ( 1,3,7 - Trimethylxanthin)

Für die anregende Wirkung des Kaffees ist dieser Bestandteil hauptsächlich verantwortlich. 1820 wurde das Coffein von dem Chemiker Runge, auf Drängen von J. W. Goethe, isoliert. Es findet sich in den Samen der Gattung Coffea in unterschiedlichen Masseanteilen. Unser Kaffees enthalten im Mittel zwischen 1,2 und 2 % Coffein. Für Pflanzen stellt das Coffein einen Schutz vor dem Verschimmeln dar. Unter den Bedingungen des Röstens verhält sich das Coffein relativ stabil. Die geringen Verluste werden durch gleichzeitig eintretende Verluste von H2O, CO2 und CO ausgeglichen. Da für manche Menschen der Kaffee eine zu anregende Wirkung hat, wird der Kaffee über 3 Verfahren entcoffeiniert:

- Entcoffeinierung durch Extraktion mit organischen Lösungsmitteln z. B. Dichlormethan
- Entcoffeinierung mit coffeinfreiem Extrakt
- Entcoffeinierung durch Extraktion mit überkritischen Gasen z. B. CO2

2. Chlorgensäuren

Chlorgensäuren sind Ester aus Kaffeesäure und Chinasäure auch die Moleküle werden als Chlorgensäure bezeichnet, die statt Kaffeesäure Fernalsäure oder para-Cumarsäure enthalten.

Sie sind auch mitverantwortlich für die anregende Wirkung des Kaffees. Arabica enthält etwa 65 g, Robusta etwa 85 g pro kg Kaffee.

1846 wurde die Hauptverbindung 3-Caffeoylchinasäure (n-Chlorgensäure) über den schwerlöslichen 1:1 Komplex des Kaliumsalzes mit Coffein im Kaffee entdeckt. Die Entdeckung, daß Chlorgensäuren auch mit Thiamin (Vitamin B1) einen Komplex bildet, führte zur irrtümlichen Annahme, der Kaffeegenuß könnte die Vitamin B1 Versorgung beeinträchtigen Beim Rösten entsteht teilweise aus den Chlorgensäuren flüchtige Stoffe, die zu den Aromastoffen des Kaffees gehören.

3. Trigonellin

Im Rohkaffee ist das Trigonellin in Mengen von 0.6 bis 1.2 % enthalten. Durch den Röstvorgang wird bis zu 75 % abgebaut. Es entsteht hauptsächlich Pyridin, was für den Kaffeeduft von wichtiger Bedeutung ist und die Nicotinsäure (Vitamin B2). Eine Tasse Kaffee enthält etwa ein Zehntel des Tagesbedarfs des Erwachsenen an B2. Andere Vitamine werden durch den Röstvorgang weitgehend zerstört.

4. Die Maillard-Produkte

Die meisten der über 700 Aromastoffe im Kaffee liefert die Maillard-Reaktion, benannt nach dem Entdecker Louis Maillard. Es gibt nur zwei Ausgangsstoffe, zum einen Aminosäuren und zum anderen reduzierende Zucker: Die Reaktion liefert meistens braune Produkte, wobei die MaillardReaktion nicht mit der Karamelisierung zu verwechseln ist.

5. Kaffeefarbstoffe

Sie entstehen hauptsächlich durch die Maillard-Reaktion. Die Kaffeefarbstoffe werden Melanoidine genannt. Die wasserlöslichen Stoffe lassen sich durch Chromatographie in verschiedene Fraktionen trennen. In den Fraktionen finden sich Chlorgensäure, Hydroxyzimtsäure, Hydroxybenzoesäure und Stickstoff (gebunden in Aminosäuren). Ebenso kann man aus wäßriger Lösung diverse Zucker und Polysaccharide isolieren. Nur ein geringer Teil ist wasserlöslich, dessen Verknüpfung aber noch nicht bekannt ist. Der Kaffeesatz, also der unlösliche Teil enthält Mannosereste (50%), Cellulose (20%), Galaktosereste und Arabinosereste. Diese Fraktion enthält wahrscheinlich ein ? - 1,4 verknüpftes Mannosegerüst mit Galaktose und Arabinose in den Seitenketten.

6. Geschmacksstoffe

Dabei lassen sich zwei Hauptrichtungen unterscheiden: „bitter“ und „sauer“. Für den bitteren Geschmack des Kaffeegetränks ist Coffein nur zu etwa 30% verantwortlich. Der Rest der bitter schmeckenden Substanzen stammt wahrscheinlich aus Produkten der Maillard-Reaktion. Anhand von Modellversuchen fand man heraus, daß hauptsächlich Maillard-Produkte aus Prolin einerseits und Saccharose, Glucose oder Fructose andererseits stark bitter schmecken. Für den sauren Geschmack sind vor allem Essig- und Zitronensäure (25%), Apfelsäure (10%) und Phosphorsäure (6%) verantwortlich. Der deutsch Verbraucher empfindet einen PH-Wert des Kaffeegetränks zwischen 4,9 und 5,2 als besonders angenehm.

III Warum riecht Kaffee so gut?

Erste Untersuchungen

Bereits im 19. Jahrhundert gelang es dem Chemiker Bernheimer einige mit Wasserdampf flüchtige Inhaltsstoffe des Kaffees zu identifizieren.

Zwischen 1921 und 1930 entwickelten Reichstein und Stauchinger einen Trennungsgang, der richtungsweisend für die Analyse organisch-chemischer Substanzen wurde. Dazu destillierten sie die flüchtigen Verbindungen i. Vak. ab und gewannen durch Abkühlen des Dampfes auf -180°C ein Kondensat, das sie anschließend in Verbindungsklassen trennen konnten. Insgesamt identifizierten sie an die 70 Substanzen, von denen 29 bei Raumtemperatur flüchtig waren. Zusammenfassend stellten sie fest, daß nicht ein einzige Verbindung das Kaffeearoma hervorruft, daß aber der Geruch einer stark verdünnten wäßrigen Lösung von 2-Furfurylthiol1 an den von Röstkaffee erinnert.

Zusammensetzung der flüchtigen Fraktion von Röstkaffee

Mittels Gaschromatographie und z. B. Massenspektrometrie (GC-MS) wurden bis 1994 insgesamt 835 flüchtige Verbindungen identifiziert. Mit der ständig steigenden Zahl von identifizierten Verbindungen stellt man sich die Frage, ob jede der gefundenen Verbindungen auch Anteil am Kaffeearoma hat. In Anlehnung an Rothe und Thomas sind nur die Verbindungen interessant, deren Konzentration im Kaffee höher sind als ihre Geruchswelle. Demnach ist das schon oben genannte 2-Furfurylthiol die Verbindung mit dem höchsten Aromawert im Kaffee. Der Versuch aus allen gefundenen Aromastoffen ein künstliche Kaffeearoma herzustellen ist bis heute noch nicht gelungen. Für jeden Kaffeetrinker wird wohl ein Unterschied zwischen löslichen und frisch gebrühtem Kaffee bekannt und deutlich zu sein.

IV Versuch

Grüne Kaffeebohnen selbst Rösten:

Material: Grüne Kaffeebohnen, Heizplatte, Edelstahlkasserolle, ev. Glasstab, Kaffeemühle. Vorbereitung: Das wohl größte Problem ist die Beschaffung der grünen Kaffeebohnen: es verstößt nämlich gegen geltendes Zollrecht, wenn Kaffeeröstereien grüne Kaffeebohnen an Endverbraucher abgeben. Es wurde mir von einem Kaffeeröster mitgeteilt, daß über jedes Gramm grüne und geröstete Kaffeebohnen in einem Zollbuch Rechenschaft abgelegt werden muß, um den Verbleib der zollpflichtigen Rohware nachvollziehen zu können. Doch kommt es wohl auf das Verhandlungsgeschick des einzelnen an, ob er in puncto Beschaffung erfolgreich ist oder nicht. Für den ersten Röstversuch genügt bereits eine Handvoll Bohnen.

Durchführung: Man gibt eine Handvoll grüne Kaffeebohnen in eine auf einer Heizplatte auf ca. 200 ⁰ C vorgeheizte Edelstahlkasserolle und röstet die Bohnen unter ständigem Schwenken des Topfes oder Rühren, bis die Bohnen eine dunkelbraune Färbung haben. Nach dem Abkühlen der gerösteten Bohnen können sie in einer Mühle gemahlen werden. Zur abschließenden Beurteilung des Röstergebnisses kann in herkömmlicher Weise durch Überbrühen mit heißem Wasser ein Kaffeegetränk hergestellt werden.

Beobachtung: Man nimmt zunehmend den bekannten Duft gerösteten Kaffees wahr. Vorsicht! Die Bohnen werden sehr schnell schwarz und riechen dann unangenehm ,,verbrannt"!

Anmerkungen: Der Geschmack unterscheidet sich deutlich von dem handelsüblicher Kaffeeprodukte, weil die Rösttemperatur nur sehr grob kontrolliert werden kann und die Bohnen trotz Schwenkens unterschiedlich stark geröstet werden.