Der Effekt von Fermentierung – 25 Magazine, Issue 10

Der Effekt von Fermentierung – 25 Magazine, Issue 10

KKaffee durchläuft eine komplexe und faszinierende Reise.

SOPHIA JIYUAN ZHANG und FLORAC DE BRUYN erzählen uns mehr über die Forschungsergebnisse, die sie während ihrer vierjährigen Forschungszusammenarbeit gesammelt haben. Im Fokus lag dabei ein besseres Verständnis der Auswirkung der Kaffeeverarbeitung nach der Ernte auf die Kaffeequalität an unterschiedlichen geografischen Standorten.

Wenn wir den Weg vom Samen zur Frucht, den Rohkaffeebohnen, zum gerösteten Kaffee und schließlich zu einer fertigen Tasse verfolgen, wird uns die Anstrengung bewusst, die in jede Phase der gesamten Kaffeewertkette einfließt. Es überrascht kaum, dass alle Phasen miteinander verknüpft sind und optimiert werden können, um Kaffee immer besserer Qualität zu liefern. Die Kaffeequalität wird gewöhnlich anhand der Rohkaffeebohnen und der fertigen Tasse Kaffee bewertet. Da die Rohkaffeebohnen bereits alle Geschmackselemente in sich tragen, besteht eine starke Beziehung zwischen ihrer Qualität und der der endgültigen Tasse Kaffee.

Wenn es jedoch um die Verbesserung der Kaffeequalität geht, darf die Rolle des Verarbeitens nach der Ernte nicht außer Acht gelassen werden. Bei der Verarbeitung nach der Ernte geht es hauptsächlich darum, das Fruchtfleisch der Kaffeekirschen zu entfernen und die Samen in trockene und stabile Geschmacksträger, d. h. den Rohkaffee, zu verwandeln. Üblicherweise wird dies durch Nass- und Trockenverarbeitung erreicht, deren Ursprünge sich bis an die Geburt der Kaffeeindustrie zurückverfolgen lassen. Seither haben auch gemischte oder neue Methoden in kaffeeerzeugenden Regionen an Beliebtheit gewonnen, beispielsweise der bekannte entfleischte, mit Honig verarbeitete Kaffee oder die im Trend liegende anaerobe Fermentierung (bei der während der Fermentierung der Sauerstoff begrenzt wird oder abwesend ist). In jüngsten Jahren haben viele Produzenten eine innovative Führungsrolle bei der Kaffeeverarbeitung übernommen und in den Produktionsregionen mit verschiedenen Methoden experimentiert. Daraus ergibt sich eine enorme Menge empirischer Nachweise bezüglich des Einflusses der Verarbeitungsmethoden und der spezifischen Verarbeitungsparameter auf die Kaffeequalität. Rigorose wissenschaftliche Nachweise, um diese Methoden zu stützen, bleiben verborgen und warten nur darauf, entdeckt zu werden.

In den letzten vier Jahren haben wir durch eine bilaterale industriell-akademische Forschungszusammenarbeit zwischen der Vrije Universiteit Brussel (Brüssel, Belgien) und Nestlé Research (Vers-chez-les-Blanc, Schweiz) daran gearbeitet, die Kaffeeverarbeitung nach der Ernte zu verstehen. Hier möchten wir einige unserer Forschungsergebnisse mit den unterschiedlichen Kaffeesorten an verschiedenen geografischen Standorten präsentiert. Hoffentlich finden Sie dies so interessant und spannend wie wir auf unserer Forschungsreise.

Mikroben und Metabolismus

Zwei wichtige Erscheinungen treten bei der Verarbeitung des Kaffees nach der Ernte auf: die mikrobischen Aktivitäten in der Verarbeitungsumgebung sowie der interne Samenmetabolismus der Kaffeebohnen. Der dynamische Charakter der Verarbeitung entsteht aus der kontinuierlichen Aufnahme von Nährstoffen und der Produktion von Substanzen durch die Mikroorganismen sowie das laufende Neuordnen des metabolischen Profils der Samen (d. H. ein Konzentrationsprofil vieler unterschiedlicher Substanzen in den Bohnen). Die Komplexität liegt in den vielen Schritten innerhalb einer einzelne Verarbeitungsmethode und ihrer Abhängigkeit von verschiedenen externen Faktoren wie Temperatur, Kaffeesorte und Verarbeitungsgeräten.

Mikroorganismen treten in so gut wie jeder Umwelt auf, also auch im Ökosystem der Kaffeeverarbeitung. Da sie in der Produktion anderer fermentierter Nahrungsmittel eine entscheidende Rolle spielen (siehe „Fermentierungsgeschmack“), überrascht es vielleicht kaum, dass Mikroorganismen auch in der Kaffeeverarbeitung wichtige Funktionen übernehmen. Bereits vor Verarbeitungsbeginn sind auf der Oberfläche der Kaffeekirschen Mikroorganismen vorhanden. Im Verlauf des Verarbeitens florieren diese Mikroorganismen (besonders die Milchsäurebakterien) auf dem fermentierenden nährstoffreichen Pflanzenmaterial, besonders dem Fruchtfleisch und/oder den Schleimhäuten. Mit ihrem Wachstum produzieren Mikroorganismen aus diesen pflanzlichen Nährstoffen Stoffwechselprodukte, die sich in der Verarbeitungsumgebung ansammeln. Mikrobiologen bezeichnen dies als Fermentierung. Wir haben mit Freude festgestellt, dass die Fermentierung bei der Nass- und Trockenverarbeitung in verschiedenen Teilen im Kaffee-Ökosystem stattfindet. Bei der Nassverarbeitung findet die Fermentierung im Verarbeitungswasser statt, während der Trockenverarbeitung spielt sich die Fermentierungen im trocknenden Fruchtfleisch der Kirschen ab. Interessanterweise verbleiben manche der Stoffwechselprodukte aus der Fermentierung auf der Bohnenoberfläche und können sogar den gesamten Prozess überdauern. Daher sind sie eine mikrobische Signatur auf den Rohkaffeebohnen. Diese Erscheinung haben wir als den Fermentierungseffekt bezeichnet.

Figure 1: Our multiphasic approach decoding the journey of coffee from cherry to cup, including metabolomic (top) and microbiological (bottom) approaches to unravel the coffee processing ecosystem, as well as the sensory evaluations of the brewed cup. For full results, see relevant research papers.

Abbildung 1: Unser Mehrphasenansatz zum Decodieren der Kaffeereise von der Kirsche zur Tasse einschließlich metabolomischer (oben) und mikrobiologischer (unten) Herangehensweisen zum Erschließen des Ökosystems der Kaffeeverarbeitung sowie die sensorische Evaluierung der fertigen Tasse. Die vollständigen Ergebnisse finden Sie in den relevanten Forschungsberichten.

Gleichzeitig ist die Kaffeebohne auch ein lebendiger Organismus, der mit seiner Umgebung interagiert und darauf reagiert. Als lebendiger Organismus ist die Bohne also bei der Verarbeitung aktiv. Die Kaffeebohnen gelten als Zwischensamen. Damit sind sie in der Lage, sogar bei geringem Feuchtigkeitsgehalt auf unterschiedliche externe Stressfaktoren zu reagieren und ihre metabolische Zusammensetzung entsprechend zu ändern (sie besteht aus der dynamischen Summe aller Kohlehydrate, Aminosäuren und organischen Säuren im Samen).  Die beiden vorherrschenden Stressfaktoren entlang der Verarbeitungskette sind Sauerstoffmangel während des Eintauchens unter Wasser und „Trockenstress“ )(Wassermangel) beim Trocknen.
Bei der Nassverarbeitung durchlaufen die Bohnen sowohl Sauerstoffmangel also auch Trockenstress, während die Bohnen bei der Trockenverarbeitung anhaltendem Trockenstress ausgesetzt sind. Diese Unterschiede tragen auch zum Unterschied zwischen gewaschenem und natürlichem Kaffee bei. Wenn wir daher über die Auswirkung der Kaffeeverarbeitung auf den Geschmack sprechen, geht es nicht nur um die „Fermentierungsgeschmacksnoten“ auf dem Äußeren der verarbeiteten Bohnen. Es geht auch um die fundamentalen Änderungen der metabolischen Zusammensetzung der eigentlichen Kaffeebohne.

Unterschiedliche Verfahren führen zu unterschiedlichen Konzentrationen von Stoffwechselprodukten

Unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen wirken sich die Mikrobiologie und der Samenmetabolismus auf die metabolomischen Profile der Kaffeebohnen und damit letztendlich auch auf die Tassenqualität aus. An dieser Stelle wollen wir kurz die Auswirkungen der drei spezifischen Nassverarbeitungsparameter in Betracht ziehen, wie wir ausführlich untersucht haben: Wie lange die Fermentierung gedauert hat, ob die Schleimhäute der Kirschen mechanisch entfernt wurden, und ob die Bohnen nach der Fermentierung und Waschung eingeweicht wurden. Bevor wir jedoch beginnen, möchten wir einige Begriffe rund um die Verarbeitung eindeutig definieren.

Bei der Nassverarbeitungen wird das Fruchtfleisch der Kaffeekirschen entfernt (Entfleischen) und die Kirschen werden dann in Wasser eingeweicht (Fermentierung). Danach wird das Wasser aus den Fermentierungstanks abgelassen und die fermentierten Bohnen werden mit Wasser gereinigt, um restliche Schleimhäute abzuwaschen (Waschen). Manchmal werden diese gewaschenen Bohnen dann noch einmal im Tank oder in getrennten Eimern mit sauberem Wasser eingeweicht (Einweichen). Nach dem Waschen und Einweichen werden die Bohnen getrocknet. Eine Variation der klassischen Fermentierung besteht darin, die Schleimhäute mechanisch durch den Schleimhautentferner zu entfernen. Dabei werden Bohnen durch zwei sich drehende Trommeln gedrückt, die einen Großteil der Schleimhäute mechanisch abkratzen. Dies definieren wir hier als Prozess der Schleimhautentfernung.

Wie lange die Fermentierung dauert, wirkt sich erheblich auf die Kaffeequalität aus. Wir haben festgestellt, dass eine lange Fermentierung, von der allgemein angenommen wird, dass sie die Kaffeequalität beeinträchtig und zu sauren Bohnen führen kann, auch positive und erwünschte Auswirkungen zeigt, solange sorgfältig kontrollierte Farmpraktiken befolgt werden. Unter hygienischen Verarbeitungsbedingungen (insbesondere im Fermentierungstank und im Waschkanal) lässt eine längere Fermentierung mehr Zeit, damit die erwünschten mikrobischen Aktivitäten stattfinden können und die Bohnen stärker fermentieren. Diese Fermentierungswirkung wirkte auch noch auf die rohen Kaffeebohnen, wie an den höheren Konzentrationen der mikrobischen Metaboliten (z. B. Milchsäure und Mannitol) und der höheren Intensität der blumigen oder fruchtigen flüchtigen organischen Verbindungen zu erkennen ist. Auf der anderen Seite der Mikrobiologie hat eine lange Fermentierungsdauer die Rolle von Sauerstoffmangel durch den endogenen Bohnenmetabolismus verstärkt. Dies betrifft die Konzentrationen einfacher Kohlenhydrate (z. B. Glukose und Fruktose), Aminosäuren (z. B. Asparaginsäure und Alanin) und organischer Säuren (z. B. Bernsteinsäure). Diese aufgeführten Verbindungen können als Hauptvorläufer in einer Reihe chemischer Reaktionen beim Rösten dienen, besonders in der Maillardreaktion, und den typischen Kaffeegeschmack erzeugen. Mit der Modifikation der Häufigkeit dieser Geschmacksvorläufer in den grünen Bohnen führte eine längere Fermentierung zu einer Verbesserung der Fruchtnoten in der Tasse.

Bei der Nassverarbeitung von Kaffee entschleimte anstelle von entfleischten Bohnen als Ausgangspunkt für die Fermentierung zu verwenden, war kontrovers. Als eine umweltschonendere Alternative zur klassischen Fermentierung kann ein Entfleischer bei der Fermentierung Wasser sparen und die Verarbeitungszeit abkürzen. Seine Auswirkungen auf die sensorische Qualität sind jedoch schwer fassbar. Unsere Arbeit hat gezeigt, dass das Vorhandensein von Schleimhäuten auf den entfleischten Bohnen die Nährstoffdichte für die Mikroben im Fermentierungswasser erhöhte,  Aus diesem Grund ist die Fermentierungswirkung im Wasser und auf die Bohnen im Vergleich zum entfleischten Fermentierungsverfahren intensiver. Das hat dazu geführt, dass die rohen Kaffeebohnen aus dem entfleischten Prozess mit Vergleich zum entschleimten Verfahren mehr mikrobische Metaboliten beibehielten und sich in Aminosäuren und phenolischen Profilen unterschieden.  Deswegen gab es in der Tassenqualität aus diesen beiden Prozessen subtile Unterschiede bei den blumigen und fruchtigen Intensitäten.

Im Gegensatz zu den oben erwähnten Faktoren hat das Waschen und Einweichen die Fermentierungswirkung verringert. Ohne das Einweichen und sogar mit einer verringerten Waschung verblieben mehr kostbare Metaboliten aus der Fermentierung auf den Rohkaffeebohnen und die Tassenwertung fiel höher aus. Sollte jedoch die Fermentierung aus irgendeinem Grund nicht gut verlaufen, kann das Einweichen dazu beitragen, die unerwünschten, während der Fermentierung aufgebauten Metaboliten zu entfernen und damit unerwünschten Geschmack im Kaffee zu kontrollieren.

Kaffeesorte als Variable bei der Fermentierung

Unterschiedliche Kaffeesorten unterscheiden sich auch in der Zusammensetzung der Metaboliten in der Schleimhaut und dem Fruchtfleisch frischer Kaffeekirschen. Da die Schleimhäute für die Mikroorganismen die Hauptnährstoffquelle darstellen, wirken sich auch die Unterschiede in der Zusammensetzung der Schleimhäute bei verschiedenen Kaffeesorten auf den Umfang der Fermentierungswirkung aus. Wir haben beispielsweise festgestellt, dass die Typica -Kaffeekirschen in Lateinamerika eine saftige Mesokarp-Schicht aufwiesen, die nährstoffreicher als bei Catimor in Asien war. In Kombination mit externen Faktoren wieder lokalen Umgebungstemperatur haben wir festgestellt, dass sie sich auf die pH-Profile, die Dynamik der mikrobischen Gemeinschaften und die Zusammensetzung der Metaboliten während der Fermentierung auswirkten. Daher muss die Kaffeesorte in Betracht gezogen werden, wenn die möglichen Auswirkungen auf die Verarbeitungspraktiken auswertet werden.

Figure 2: Coffee post-harvest processing consists of several dynamic and intertwined activities, mainly microbial activities and endogenous bean metabolism (left). Switching the processing methods or changing the processing parameters could change the (green) coffee bean composition and the sensory profile of the brewed cup. The extent of their impacts on coffee quality depended on the parameter altered and the processing conditions (right).

Abbildung 2: Die Verarbeitung von Kaffee nach der Ernte besteht aus mehreren dynamischen und verknüpften Aktivitäten, vor allen Dingen mikrobische Aktivitäten und endogenen Bohnenmetabolismus (links). Ein Wechsel der Verarbeitungsmethoden oder eine Änderung der Verarbeitungsparameter könnte die Zusammensetzung der (rohen) Kaffeebohnen und das sensorische Profil der fertigen Tasse Kaffee ändern. Der Umfang ihrer Auswirkungen auf die Kaffeequalität hing vom geänderten Parameter und den Verarbeitungsbedingungen (rechts) ab.

Unserer Meinung nach liegt in dieser Vielfalt die Stärke von Kaffee, da sich aus ihr enorm viele Permutationen der obigen Faktoren ergeben, die noch nicht untersucht wurden. In dieser Vielfalt der Kaffeewertkette kommen Kunst und Wissenschaft zusammen. Wir sind davon überzeugt, dass aus manchen Ergebnissen eine hervorragende Tasse Kaffee entsteht.

[bio] SOPHIA JIYUAN ZHANG ist eine Chemikerin und Kaffeekennerin, die auf vielen Kaffeeplantagen rund um die Welt gearbeitet hat, um den Zusammenhang zwischen Verarbeitung und Kaffeequalität zu verstehen. FLORAC DE BRUYN ist ein Mikrobiologe, der sich für spontane Lebensmittelfermentierungen interessiert. Seine Doktorarbeit konzentrierte sich auf das mikrobische Ökosystem bei der Kaffeefermentierung. Beide sind jetzt bei Nestlé Research in der Schweiz beschäftigt.

Literaturverweise

Relevante Forschungsartikel wurden veröffentlicht in: De Bruyn, F*., Zhang, S.J.*, Pothakos, V.*, Torres, J., Lambot, C., Moroni, A.V., De Vuyst, L. (2017). Exploring the impacts of post-harvest processing on the microbiota and metabolite profiles during green coffee bean production. Applied and Environmental Microbiology 83, e02398-16.

Zhang, S.J.*, De Bruyn, F.*, Pothakos, V.*, Falconi, C., Torres, J., Moccand, C., Weckx, S., De Vuyst, L. (2019). Following coffee production from cherries to cup: microbiological and metabolomic analysis of wet processing of Coffea arabica. Applied and Environmental Microbiology 85, e02635-18.

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Lesen Sie in Ausgabe 2 von 25 mehr über die Fermentierung von Käse im Artikel “Ein Farmsystem fermentieren” von Bronwen Percival .

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