Weniger stark, dafür süßer – 25 Magazine, Issue 11

Weniger stark, dafür süßer – 25 Magazine, Issue 11

DDie Frage, wie schwarzer Kaffee schmeckt, werden die meisten Leute mit „bitter“ beantworten.

Wissenschaftliche Mitarbeiterin MACKENZIE BATALI, Professor CARLITO LEBRILLA, Professor JEAN-XAVIER GUINARD und Professor WILLIAM D. RISTENPART berichten über ihre überraschenden Ergebnisse bei „Fraktionierungsexperimenten“ an der UC Davis, bei denen in Zusammenarbeit mit der SCA und der Breville Corporation die natürliche Süße von schwarzem Filterkaffee untersucht wurde.

Sprechen Sie jedoch mit Spezialitätenkaffeekennern, erfahren Sie schnell, dass die anderen sensorischen Eigenschaften ausschlaggebend sind. Kaffeeexperten werden meist ehrfürchtig von „Süße“ sprechen.

Für typische Verbraucher geht es bei Kaffeesüße darum, Zucker oder Süßmittel in den Kaffee zu rühren, aber darum geht es hier nicht. Denn Kaffeeexperten wissen schon seit langem, dass zusatzfreier schwarzer Kaffee wahrnehmbar süß sein kann. Die natürliche Süße ist für viele der heilige Gral im Spezialitätenkaffee – ein erhabener Tassengenuß, wenn man das Glück hat, ihn zu finden. Für diejenigen, die sie erreichen müssen, kann die natürliche Süße jedoch sehr frustrierend sein. Jeder, der Kaffee professionell bezieht, röstet oder zubereitet, weiß, dass sich natürliche Süße im schwarzen Kaffee nicht einfach erreichen lässt: Süße ist flüchtig, fluktuiert von Bohne zu Bohne oder in Reaktion auf geringfügige Unterschiede in den Röst- oder Brühbedinungen. Diese Schwierigkeit führt zu einer wichtigen Frage: Wie wird die natürliche Süße im schwarzen Kaffee maximiert?

Die Wissenschaft steht noch am Anfang, aber wir freuen uns, berichten zu können, dass das UC Davis Coffee Center erhebliche Fortschritte im Verständnis zumindest eines Teils des Puzzles machen konnte. 2017 haben wir in Zusammenarbeit mit der SCA und mit Unterstützung der Breville Corporation mit einer umfangreichen wissenschaftlichen Studie von Filterkaffee begonnen. Ziel dieses mehrgleisigen Forschungsanstrengung ist das Verständnis, wie unterschiedliche Brühparameter die sensorischen Eigenschaften von Filterkaffee beeinflussen. Erste Forschungsergebnisse wurden bereits im vierteljährlichen Magazin der SCA, 25, sowie im Journal of Food Science vorgestellt. In weiteren Forschungsarbeiten wurde die Gesamtheit der klassischen „Kontrolltabelle beim Kaffeebrühen“ erkundet. Daraus ergaben sich spannende Ergebnisse, die bald besprochen werden.

Hier konzentrieren wir uns auf die überraschenden Ergebnisse über natürliche Süße im Filterkaffee. Insbesondere wollten wir verstehen, wie sich im Zubereitungsprozess die chemische Zusammensetzung und sensorischen Qualitäten im Filterkaffee ändern. Der erste Kaffee, der aus dem Filter tropft, ist offensichtlich dunkler als der spätere Kaffee, aber niemand in der wissenschaftlichen Literatur hatte diese Verhaltensweise und die entsprechenden Auswirkungen auf die sensorische Qualität gemessen. Wir haben uns daran gemacht, dieses Phänomen im Einzelnen zu untersuchen.

Design des Experiments

Um die chemischen und sensorischen Aspekte des Kaffees im Verlauf der Zeit zu messen, haben wir etwas durchgeführt, was in wissenschaftlichen Kreisen als „Fraktionierung“ bezeichnet wird (Abb. 1).[1] Während einer vierminütigen Zubereitung in einer kommerziellen Kaffeemaschine haben wir die Kanne alle 30 Sekunden ausgetauscht und damit 8 unterschiedliche Fraktionen gebrühten Kaffee erhalten, wobei Fraktion 1 den ersten 0 bis 30 Sekunden entspricht, Fraktion 2 den folgenden 31 bis 60 Sekunden und so weiter. Außerdem haben wir zusätzlich identischen Kaffee ohne Fraktionierung gebrüht, damit wir die Eigenschaften des „ganz gebrühten“ Kaffees mit den einzelnen Fraktionierungen vergleichen konnten.

Fig. 1: “Fractionation,” illustrated. Over the course of a four-minute brew, researchers would change the carafe every 30 seconds in order to better understand how the chemical composition and sensory qualities of the brew change as it progresses.

Fig. 1: “Fraktionierung,” illustriert. Im Verlauf einer vierminütigen Zubereitung haben Forscher die Kanne alle 30 Sekunden ausgetauscht, um besser zu verstehen, wie sich die chemische Zusammensetzung und sensorische Qualitäten des Kaffes im Verlauf der Zubereitung ändert.

Um die Frage nach dem Geschmack jeder Fraktion rigoros zu beantworten, haben wir uns an unser deskriptives Expertengremium gewandt. Dieses Gremium hat eine andere Funktion als das in der Kaffee übliche „Cupping“-Gremium. Zur Rekrutierung und Auswahl der Gremiumsmitglieder diente eine Serie „unterscheidender“ Dreieckstests, bei denen korrekt erkannt werden musste, welche von drei Kaffeeproben sich von den anderen beiden unterschied. In den folgenden Wochen haben wir das Gremium dann kalibriert und sie auf dem „Aromarad für Kaffeekoster“ der SCA/WCR in den angemessenen sensorischen Referenzen ausgebildet. Schließlich kostete das Gremium die Fraktionen in den deskriptiven sensorischen Trennkabinen am Robert Mondavi-Institut der UC Davis. In diesen Kabinen werden die Gremiumsmitglieder voneinander getrennt, um die Kontextverzerrung zu minimieren. Aus diesem Grund wurde auch auf Rotlichtbeleuchtung zurückgegriffen, um die Erwartungsverzerrung zu minimieren, wie dunkel der Kaffee aussah.

Einer der Hauptunterschiede zwischen Cupping und deskriptivem sensorischen Testen liegt darin, dass „Qualität“, „Wert“ oder „guter Geschmack“ nicht bewertet werden – es geht rein um eine objektive Messung der Intensität der sensorischen Eigenschaften. Theoretisch sollte das Gremium als reproduzierbares Mittel fungieren, um genau das zu messen, was im gebrühten Kaffee wahrnehmbar ist. Wir baten das Expertengremium darum, 23 unterschiedliche Geschmacks- und Aromaeigenschaften wie bitter, sauer, blumig, beerenartig usw. für 9 verschiedene Stichprobentypen (8 Fraktionen und eine vollständig gebrühte Probe) zu bewerten. Die Stichproben wurden alle blind und in willkürlicher Reihenfolge serviert, und der Test dreimal getrennt repliziert. Bei 12 Gremiumsexperten wurden insgesamt 9 x 3 x12 = 324 Kaffeeproben serviert und es gab 7.452 individuelle sensorische Datenpunkte – eine große Menge an Daten. Wir haben außerdem die entsprechenden physikalischen Messwerte jeder Fraktion erfasst, darunter die völlig gelösten Feststoffe (TDS), die wie „Stärke“ das Kaffees angeben.

Fig. 2: The “strength” of each fraction, as determined by the percentage of total dissolved solids (TDS) in each fraction.

Fig. 2: Die „Stärke“ jeder Fraktion, ermittelt aus dem Prozentsatz der gesamten gelösten Feststoffe (TDS) in jeder Fraktion.

Die sich daraus ergebenden sensorischen Trends

Die Analyse der Daten ergab einige deutliche und systematische Trends (Abb. 3). Wenn wir uns zuerst bitter ansehen, stellen wir fest, dass sich die Intensität der wahrgenommenen Bitterkeit (hier im Gremiumdurchschnittswert angegeben) in der ersten Fraktion am höchsten war und dann mit späteren Fraktionen systematisch nachließ (rote Punkten in Abb. 3).  Wichtig ist hier, dass dieser Rückgang in wahrgenommener Bitterkeit gut mit den TDS in jeder Fraktion korreliert (lila Punkte in Abb. 2). Die frühen Fraktionen hatten hohe TDS, während in den späteren Fraktionen die TDS um fast das Zehnfache abnahmen. Daher wird dieser Rückgang in der wahrgenommenen Bitterkeit in Bezug auf eine niedrigere Konzentration der gelösten Moleküle ausgelegt. Anders gesagt schmeckten die späteren Fraktionen weniger bitter, weil sie einfach nicht mehr so stark waren. Mehrere andere sensorische Attribute wie sauer, adstringierend und rauchig nahmen ebenfalls mit abnehmender Kaffeestärke ab.

FIg. 3: Attribute intensity as identified by the expert descriptive panel across each fraction. Here, we see pronounced and systematic trends: “bitter” and “sour” decrease over time, while “tea/floral” and “sweet” increase.

Fig. 3: Vom deskriptiven Expertengremium identifizierte Attributsintensität in jeder Fraktion. Hier erkennen wir deutliche und systematische Trends: „Bitter“ und „sauer“ nehmen im Laufe der Zeit ab, während „teeartig/blumig“ und „süß“ zunehmen.

Überraschenderweise haben sich einige sensorische Attribute jedoch in den späteren Fraktionen intensiviert. Das spannendste Ergebnis: die Süße hat in späteren Fraktionen systematisch zugenommen (schwarze Punkte in Abb. 3). Auch mehrere andere sensorische Attribute haben in den späteren Fraktionen zugenommen, darunter blumig, honigartig und fruchtig – alles Eigenschaften, die normalerweise im Spezialitätenkaffee erwünscht sind. Wir betonen, dass die Fraktionen den Gremienmitglieder in willkürlicher Reihenfolge serviert wurden, daher ist der systematische Anstieg der Süße ein echter und statistisch signifikanter Trend.

Das Ergebnis war sehr überraschend, da diese späteren Fraktionen viel niedrigere TDS aufwiesen. Anders ausgedrückt, je weniger Kaffeemoleküle in der Flüssigkeit, umso süßer schmeckte sie. In der Welt der sensorischen Wissenschaft ist dieses Verhalten sehr ungewöhnlich. Wenn man mehr und mehr Zucker in Wasser gibt, wird beispielsweise das Waser als immer süßer wahrgenommen. Die Vorstellung, dass niedrigere Konzentrationen zu höherer wahrgenommener Süße führen, ist nicht gerade intuitiv.

Die Chemie testen

Da sich die Süße in den späteren Fraktionen bei niedrigerer Brühstärke erhöhte, stellt sich die Frage nach dem Warum? Es gab mehrere Möglichkeiten. Die erste und offensichtlichste Erklärung lautete, dass die späteren Fraktionen eine höhere relative Konzentration von gelöstem natürlichem Zucker enthielten. Etwa 10 % der Masse einer Arabica-Rohbohne besteht aus Saccharose, der wissenschaftlichen Bezeichnung für normalen Zucker. Die Saccharose in den Rohbohnen überlebt normalerweise den Röstprozess nicht: Die Saccharose durchläuft verschiedene komplizierte Reaktionen, die alle zum herrlichen Geschmack von Kaffee beitragen. Besonders relevant ist, dass beim Rösten die komplexen Kohlehydrate in sogenannte Monosaccharide oder „einfache Zucker“ aufzubrechen. Auch sie haben eine wahrnehmbare Süße. Daher ist eine mögliche Erklärung für unsere sensorischen Daten besteht darin, dass Monosaccharide wie Fruktose oder Glukose während der der Zubereitung langsamer aus dem soliden Kaffeesatz gezogen werden, was zu höheren Konzentrationen in späteren Fraktionen führt – und damit auch zu höherer wahrgenommener Süße führt.

Fig. 4: Mapping the collective presence of monosaccharides, or “single sugars,” in each fraction against thresholds of human perception. Interestingly, the total concentration of all the sugars present in each fraction is well below the threshold of human perception, illustrated by the red line at the top.

Fig. 4: Kartieren der kollektiven Anwesenheit von Monosacchariden oder „einfachen Zuckern“ in jeder Fraktion an der menschlichen Wahrnehmungsschwelle. Interessanterweise liegt die Gesamtkonzentration aller anwesender Zucker in jeder Fraktion weit unter der menschlichen Wahrnehmungsschwelle, wie oben in der roten Linie angezeigt wird.

Um diese Hypothese zu testen, haben wir uns von menschlichen Testern ab- und analytischen chemischen Methoden zugewendet. Insbesondere haben wir anhand von Flüssigchromatographie und Massenspektrometrie die Monosaccharide-Konzentrationen in jede Fraktion identifiziert und gemessen. Aus den Daten ergaben sich zwei überraschende Trends (Abb. 4). Erstens haben wir festgestellt, dass die Zuckerkonzentrationen in der ersten Fraktionierung am höchsten war und in den späteren Fraktionen kleiner wurden. Das zeigte uns, dass wir die Hypothese der „langsamen Auflösung“ ausschließen konnten. Am wichtigsten haben die Massenspektrometrie-Messungen etabliert, dass die Gesamtkonzentrationen aller anwesenden Zucker in jeder Fraktion weit unterhalb der Wahrnehmungsschwelle für Zucker (rote Linie in Abb. 4) lag, was bedeutet, dass menschliche Koster den im von uns getesteten Zucker nicht wahrnehmen können.

Was bedeutet all das?

Feststeht: Die wahrgenommene Süße hatte nichts mit den Zuckern zu tun, die in dem gebrauten Kaffee anwesend sind. Etwas anderes muss dazu geführt haben, dass die in den späteren Fraktionierungen wahrgenommene Süße zugenommen hat.

Es gibt mehrere Möglichkeiten. Eine besteht darin, dass das menschliche Gehirn gewisse Geschmacksmerkmale mit süßen Dingen assoziiert. Das Gehirn wird also dazu „verleitet“, dass die Anwesenheit dieser Attribute bedeute, dass Süße vorhanden sein muss. Dieses Phänomen ist auch aus anderen Getränken und Lebensmitteln bekannt. Diese Hypothese steht im Einklang mit den Beobachtungen, dass wahrgenommene Süße gleichzeitig mit wahrgenommenen blumigen, honigartigen und fruchtigen Geschmacksrichtungen zugenommen hat. Bei einem anderen möglichen Mechanismus geht es um „Maskierung“. Die höheren Konzentrationen von bitteren und sauren Bestandteilen in den ersten Fraktionierungen hindern oder „maskieren“ die Süße des Kaffees, die sich erst in späteren Fraktionierungen mit weniger bitteren oder sauren Bestandteilen zeigt.

Einfacher ausgedrückt könnte der heilige Gral der natürlichen Süße im Kaffee am Ende jeder Zubereitung versteckt sein. Zumindest gibt der Fraktionierungsansatz Kaffeekennern einen neuen Erkundungsansatz auf der Suche nach der perfekten Tasse.

CARLITO LEBRILLA, JEAN-XAVIER GUINARD und WILLIAM D. RISTENPART sind Professoren am Coffee Center der University of California Davis, wo MACKENZIE BATALI als Doktorandin der Lebensmittelwissenschaft und -technologie studiert.

Ein abschließender Gedanke

Momentan gibt es bei der Kaffeezubereitung ein Paradigma: „Eine Zubereitung, ein Geschmacksprofil”. Die hier aufgezeigten Ergebnisse eröffnen jedoch die Möglichkeit: „Eine Zubereitung, mehrere Geschmacksprofile.“ So wie ein Whiskeybrenner die „Cuts“ oder Fraktionen im Flüssigdestillat sorgfältig auswählt, um den fertige Whiskey zu kreieren, könnten auch Kaffeeexperten auswählen, welche Fraktionierungen aus der gleichen Zubereitung einzigartige Getränke ergeben, die sie ihren Kunden servieren möchten. Beispielsweise könnte Kaffee, der hauptsächlich aus den sehr bitteren und sauren ersten Fraktionierungen besteht, eher für Verbraucher geeignet sein, die gerne viel Milch und Zucker in ihren Kaffee geben, während Kaffee aus den süßeren späteren Fraktionierungen eher die Konsumenten anspricht, die eher zarte tee-artige, blumige, fruchtige und süße Geschmacksnoten bevorzugen.

 

[1] Für diesen Teil des Forschungsprojekts haben wir kolumbianischen Java City-Kaffee aus der Region Huila (Agrton-Wertung: 54) verwendet. Alle Proben wurden bei 91,5°C (196,7°F) zubereitet und bei Temperaturen zwischen 55°C und 60°C (131–140°F) serviert.

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