Wasser und Kaffeesäure: Wie Sie Ihr Wasser an verschieden Extraktionsmethoden anpassen – 25 Magazine, Issue 9

Wasser und Kaffeesäure: Wie Sie Ihr Wasser an verschieden Extraktionsmethoden anpassen – 25 Magazine, Issue 9

RReines Wasser ist flüchtig - ob in der Natur oder der Zivilisation, jenseits eines Labors ist Wasser nie pur.

MARCO WELLINGER von der ZHAW (Wädenswil, Schweiz) erläutert, warum die Alkalinität noch wichtiger als der pH-Wert ist und warum Sie Ihre Wasserrezepte an Ihr Getränkeverhältnis und Ihre Extraktionsmethode anpassen sollten.

Wenn Regentropfen zur Erde fallen, enthalten sie bereits Gase, vor allem CO2. Das aufgelöste CO2 ergibt gemeinsam mit Wasser Kohlensäure, was dazu führt, dass Regenwasser immer säurehaltig ist und einen pH-Wert etwa von 5,5 aufweist. Dieses definitionsgemäß säurehaltige Regenwasser sollte jedoch nicht mit saurem Regen verwechselt werden. Bei diesem Phänomen ist die Luft mit Schwefel und Stickoxiden bei einem pH-Wert von bis zu 4,5 verschmutzt, und es werden die Umwelt und Gebäude bedroht.

Warum befasse ich mich überhaupt mit Regenwasser und dem pH-Wert? Der saure Regen ist das perfekte Beispiel, um den Einfluss der Alkalinität im Vergleich zum pH-Wert zu demonstrieren. Ein Liter durchschnittliches Leitungswasser in den USA mit einer Alkalinität von 150 ppm CaCO3 ist in der Lage, 100 l sauren Regen mit einem pH-Wert von 4,5 zu neutralisieren.[1] Wenn man die gleiche Logik auf Wasser und Kaffee anwendet, ist die Auswirkung der Alkalinität mehrere Hundertmal höher als die Auswirkung des pH-Werts auf die letztendliche Säuregehalt im Getränk, vorausgesetzt, der pH-Wert befindet sich in der Nähe des neutralen Bereichs (6-8) und die Alkalinität ist ausreichend hoch (20 ppm CaCO3).

pH-Wert im Vergleich zur Alkalinität

Was sagt Ihnen als Nutzer der pH-Wert von Wasser wirklich aus? Die üblichste Auslegung – „der pH-Wert zeigt an, wie säurehaltig Wasser ist“ – ist generell richtig, übersieht jedoch die wichtige Tatsache, dass der pH-Wert nicht die Gesamtmenge der vorhandenen Säure angibt. Er gibt nur einen Einblick in die vorhandene Azidität relativ zum neutralen pH-Wert (siehe Seite 21). Um dieses Konzept anschaulicher zu machen, sollten wir uns die Beziehung von „Temperatur“ und „Wärmegehalt eines Objektes“ vor Augen führen.

Denken wir beispielsweise an eine Holzbank und eine Steinbank, die in einem sonnigen Park auf dem gleichen Weg stehen. Die Holzbank fühlt sich nicht zu warm an, auch wenn sie den ganzen Tag über in der prallen Sonne stand. Die Steinbank hingegen, die ebenfalls den ganzen Tag lang in der Sonne stand, wäre zu warm, um sich darauf setzen zu können. Würde man beide Bänke mit einem Infrarot-Thermometer messen, hätten beide Bänke vielleicht die gleiche Temperatur. Der Unterschied liegt jedoch darin, dass die Steinbank vor allem wegen einer großen Masse viel Wärme gespeichert hat und an sie weitergibt, sollten Sie so unvorsichtig sein und sich auf sie setzen wollen.

Illustration von Ashely Elander Strandquist.

Aus dem gleichen Grund bleibt die Steinbank auch nach Sonnenuntergang noch viel länger warm. Kurz gesagt hat die Steinbank im Vergleich zur Holzbank bei einer bestimmten Temperatur viel mehr Wärme gespeichert (Wärmekapazität). Daher ist die Steinbank bei Temperaturänderungen resistenter – sie hat eine hohe Trägheit.

Aber zurück zum Wasser – der pH-Wert ist ein Indikator des aktuellen Zustands des Wassers, aber er gibt nicht an, wie schnell sich der pH-Wert ändern wird, wenn Kaffee, Gase oder metallische Wasserkocher ins Spiel kommen. Wie beim Thermometer und den Bänken sagt der pH-Wert nicht alles aus. Bei den Bänken war es hilfreich, die Wärmekapazität zu verstehen, bevor man sich für seinen Sitzplatz entschied. Wenn es um Wasserrezepte geht, ist Alkalinität die nötige Zusatzinformation – Sie beschreibt den Widerstand des Wasser gegenüber Änderungen (oder den Mangel an diesem Widerstand). Daher ist die Beziehung von pH-zur Alkalinität dieselbe wie die Temperatur zur gespeicherten Wärmemenge.

Wasser mit einem niedrigen pH-Wert ist sauer, aber das sagt nicht aus, wie viel Säure vorhanden ist, oder anders ausgedrückt, wie viel Säure erforderlich war, um den pH-Wert unter 7 zu senken. Aus sensorischer Sicht ist dies am wichtigsten: Die Wahrnehmung der Säure steht im direkten Zusammenhang mit der titrierbaren Säure, die in einem Getränk enthalten ist. Tatsächlich entspricht die wahrgenommene Säure eines bestimmten Kaffeegetränks der Säuremenge, die aus dem Kaffee extrahiert wurde, abzüglich der Alkalinität des Wasser.

Was bedeutet dies für Kaffeefachleute? Bei der Auswahl des Wassers für die Kaffeeextraktion ist es viel wichtiger, die Alkalinität in einem bestimmten Bereich zu halten als den pH-Wert.

Wasserrezepte für verschiedene Extraktionsmethoden

Das Verständnis von Alkalinität und dem pH-Wert gibt Ihnen ein Mittel, um zu verstehen, wie Wasser und Kaffee interagieren, um die Säureempfindung in Ihrer Tasse zu bilden. Neben der Alkalinität ist das Getränkeverhältnis für Ihrer Kaffeeextraktion der größte Faktor in dieser Gleichung. Das Spektrum der Kaffeeextraktionsmethoden zeigt Unterschiede bis zu einem Faktor 10 in ihrem Getränkeverhältnis (Ristretto bei 1,5 im Vergleich zu Filterkaffee bei 15). Dies bedeutet, dass für die konzentriertesten Formen von Kaffee (Espresso-Zubereitungen) nur 10% des Wassers auf die gleiche Menge Kaffee trifft im Vergleich zu den verdünntesten Extraktionen (Filterextraktion).

Dies bedeutet auch, dass für Espresso-Extraktion nur 10 % der Alkalinität verfügbar ist, um die Kaffeesäuren zu puffern, im Vergleich zur gleichen Menge Kaffeesäuren in Filterkaffee-Extraktion. Daraus folgt, dass die Alkalinität des Wassers bei der Zubereitung von Espresso viel höher sein kann, bevor sie sich erheblich auf den Säuregehalt der Tasse auswirkt. Die gleiche Logik gilt auch für die Gesamthärte, jedoch mit dem Unterschied, dass es keine eindeutigen Antworten auf die genauen Auswirkungen von Gesamthärte auf die Extraktion gibt. Beobachtungen aus unterschiedlichen Quellen erwähnen eine Tendenz zu „zu überextrahiertem Geschmack“ bei hoher Gesamthärte (> 250 ppm CaCO3) und im Gegenzug einen Trend zu „unterextrahiertem Geschmack“ bei niedriger Gesamthärte (< 40 ppm CaCO3). Experimentelle Messungen weisen jedoch darauf hin, dass die Auswirkungen von Gesamthärte auf die totale Extraktionseffizienz bei moderaten Variationen in der Gesamthärte (20–250 CaCO3) nicht signifikant sind.

Wenn man dieser Logik weiter folgt, kommt man zu dem Schluss, dass vorhandenen Wasserempfehlungen auf der Grundlage von Filterkaffee oder Cupping-Experimenten je nach Getränkeverhältnis für Espresso-Zubereitungen hochskaliert werden sollten. Diese Herangehensweise führt jedoch zu einem Konflikt mit technischen Problemen im Alltag – Das Hochskalieren Ihrer Wasserrezepte würde zu massiver Verkalkung Ihrer Espressomaschine führen.

Praktische Konsequenzen

Als eine vereinte Organisation strebt der Standards-Ausschuss der SCA danach, einen vereinten Wasserstandard zu definieren, der den alten SCAA-Standard mit der Kernzone der SCAE harmonisiert. Diese erweiterte Version zieht auch Unterschiede in den Brühverhältnissen von Filter- bis Espresso-Zubereitungen in Betracht. Diese Diskussion ist momentan noch im Gange, aber diese Forschung lässt auf eine mögliche Herangehensweise schließen (Abb. 1).

Fig. 1: Adopting water recommendations for espresso beverage ratios. Left: Simply scaling up the SCA standard would lead to heavy scale formation. Right: Safe zone for espresso machines and water boilers.

Abb. 1: Wasserempfehlungen für Espresso-Getränkeverhältnisse anwenden. Links: Ein einfaches Hochskalieren des SCA-Standards würde zu starker Verkalkung führen. Rechts: Sicherheitszone für Espressomaschinen und Wasserkocher.

Um den Standard für Espresso-Zubereitungen hochzuskalieren, wird der Standard der Filterzubereitung um einen Faktor von 7,3 multipliziert. Dies entspricht einem Faktor zwischen einem Espresso (Getränkeverhältnis 2) im Vergleich zu einem Filterkaffe (Getränkeverhältnis 14,6). Damit befindet sich der neue Espresso-Standard jedoch in einem Bereich extrem hoher Verkalkung (0,25 – 0,45 g pro Liter Wasser), was den effektiv nützlichen Bereich einschränkt, da Wasserzusammensetzungen zu vermeiden sind, die zu starker Verkalkung und möglicher Korrosion führen. Dies führt zur Definition einer „technisch sicheren“ Zone, die in Abb. 1 dargestellt ist.

Verglichen mit dem SCA-Standard für Filterzubereitungen führt dies zu einer Erweiterung der Empfehlungen bei einer niedrigeren Gesamthärte (bis zu niedrigen Werten von 20 ppm CaCO3) und besonders zu viel höheren Alkalinitätswerten von bis zu 150 ppm CaCO3. Dabei darf nicht aus den Augen verloren werden, dass die Untergrenze für die Gesamthärte nur aus sensorischen, nicht aus technischen Gründen festgelegt wurde.

Wenn Sie also Wasserrezepte für die Extraktion ausprobieren möchten, werden Sie den neuen Standard als sehr eng gefasst empfinden. Aber es besteht immer noch Spielraum, wenn Sie eine höhere Alkalinität ausprobieren möchten, um den Säuregehalteines bestimmten Kaffees zu mildern. Wenn Sie nicht Wasser herstellen möchten durch Zugabe vonSalzen zu deionisiertem Wasser, lässt sich das meist durch Enthärterpatronen erreichen, die nur die Gesamthärte senken. Damit entsteht Wasser mit hoher Alkalinität, aber niedriger Gesamthärte, das Ihren Wasserkocher nicht verkalken wird.

DR. MARCO WELLINGER ist ein Kaffeeforscher im Bereich der Chemie, Technologie und sensorischen Analyse am Institut für Chemie und Biotechnologie an der ZHAW Wädenswil.

[1] Beim „Neutralisieren“ des Wassers wird der pH-Wert auf sieben erhöht. Und so ist es möglich: Regenwasser hat eine Alkalinität von null. Die kleinen Gasmengen, die im Wasser Säuren bilden, führen zu einem großen Abnahme des pH-Wertes. Bei der Bildung von saurem Regen treten die Gase CO2, NO2 und SO4 auf – sie lösen sich auf und bilden Säuren, und zwar jeweils Kohlensäure, Salpetersäure und Schwefelsäure.

Das durchschnittliche Leitungswasser in den USA hat eine Alkalinität von 150 ppm CaCO3 und eine Gesamthärte von etwa 170 ppm CaCO3. Es ist also „mittelhart“. Trotzdem bietet das noch hundertfach mehr Puffer als die Säuremenge in saurem Regen. Und deshalb kann ein Liter Leitungswasser einhundert Liter sauren Regen neutralisieren!

Wasser im Brennpunkt: Hauptprinzipien

Getränkeverhältnis im Vergleich zum Brühverhältnis:

Momentan gibt es unterschiedliche Konzepte von „Brühverhältnis“ in Nutzung. Ich schlage den Begriff „Getränkeverhältnis“ vor, um zwei Konzepte eindeutig zu trennen.

Brühverhältnis:
  • Standardnutzung für Filter- und Immersionskaffee, bei dem die Menge des Brühwassers (Volumen oder Gewicht) pro Gewicht des gemahlenen Kaffees angegeben wird.
  • Wird am häufigsten angegeben als gemahlener Kaffee pro Wasservolumen 60 g/L – kann auch angegeben werden als Verhältnis von Wasser pro Kaffee 16,7 (1000 g Wasser geteilt durch 60 g Kaffee).
  • Ermittelt praktische Werte, um eine Zubereitung vorzubereiten oder Rezepte an verschiedene Größen anzupassen
Getränkeverhältnis:
  • Wird vor allen Dingen für Espresso verwendet und aus dem Gewicht des Getränks und dem Gewicht des gemahlenen Kaffees gebildet.
  • Zum Beispiel entsprechen 18 g gemahlener Kaffee in einem 36 g schweren Getränk einem Getränkeverhältnis von 2.
  • Das Getränk steht im Mittelpunkt. Nützlich, um die prozentuale Extraktion zu berechnen.
pH-Wert

Wissenschaftlich gesehen misst der pH-Wert die Protonen-Konzentration (genau gesagt die Hydronium-Konzentration. Dabei handelt es sich um eine logarithmische Skala oder basiert auf Größenordnungen. Ein Rückgang um eine Einheit (-1) entspricht der zehnfachen Erhöhung der Protonenkonzentration.

Karbonathärte

Karbonathärte ist ein Ausdruck für das gemeinsame Mimimum von Gesamthärte und Alkalinität. Eine verständliche Metapher dafür sind Tanzpartner, wobei die Anzahl der Paare, die sich bilden lassen, von der jeweils niedrigeren Zahl begrenzt wird, entweder den führenden oder folgenden Tanzpartnern. Wenn Sie also dafür sorgen möchten, dass sich mindestens 40 mg Schutzschicht pro Liter in ihrem Wasserkocher bilden kann, dürfen weder die Gesamthärte noch die Alkalinität unter 40 mg CaCO3 pro Liter (40 ppm CaCO3) liegen.

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