Kávový prášek analýza velikosti a tvaru částic pro skvělou chuť

Zrnková káva je jednou z nejdůležitějších komodit, podle odhadů se na celém světě denně vypije 1,4 miliardy šálků kávy. Chuť kávy je dána pražením zrn, rozdělením velikosti prášku a typem a kvalitou přípravy. Různé způsoby přípravy v procesu vaření a filtrování (např. kávovar na espresso, filtrovaná káva nebo AeroPress) vyžadují pro dosažení aromatického výsledku různou hrubost mletí kávového prášku. Při mletí pražených kávových zrn na prášek hraje rozhodující roli stanovení distribuce velikosti částic, která má významný vliv na vlastnosti spaření a filtrace, a tím i na chuť a slanost nápoje.

Při přípravě kávy je důležité dosáhnout optimální extrakce složek, které se v horké vodě nebo páře rozpouštějí z mleté kávy. Čím jemnější je kávový prášek, tím více složek lze extrahovat za kratší dobu. Pokud není mletí optimálně přizpůsobeno délce a teplotě procesu spařování, hrozí riziko, že káva bude nadměrně nebo nedostatečně extrahována. Nedostatečně extrahovaná káva (= příliš hrubé mletí) má málo aroma a vodnatou tázu. Příliš extrahovaná káva (= příliš jemné mletí) má hořkou chuť kvůli příliš velkému množství rozpuštěných složek (např. tříslovin).

Spolehlivým určením velikosti částic lze dosáhnout reprodukovatelného mletí pro příslušný proces přípravy, jehož výsledkem je skvěle chutnající káva s vyváženým aroma. Vzhledem k vysokému obsahu oleje, širokému rozdělení velikosti částic a velmi nepravidelnému tvaru částic vykazuje kávový prášek obtížné chování jako sypký materiál, tj. částice mají silnou tendenci aglomerovat a prášek se obtížně sype nebo dopravuje. To je třeba náležitě zohlednit v mechanických a optických měřicích metodách.

Tradičně se distribuce velikosti částic kávového prášku stanovovala analytickým proséváním. Jako standardní metoda se však stále více prosazuje metoda laserové difrakce. Obě metody mají určitá omezení z hlediska obsahu informací, přesnosti a citlivosti. Kávový prášek, zejména pokud se používá v kapslích nebo luscích, je vysoce optimalizován pro příslušný proces přípravy a musí splňovat velmi přísné specifikace kvality. Ty lze často zkontrolovat pouze pomocí zobrazovacích metod, které poskytují distribuci velikosti s velmi vysokým rozlišením a současně vysokou propustností vzorku.

Příklad měření kávového prášku pomocí dynamické analýzy obrazu, laserové difrakce a sítování

Kávový prášek má obvykle širokou distribuci velikosti částic s výraznou jemnou a hrubou částí. Jemná frakce je menší než 200 μm, hrubá frakce může dosahovat až 2 mm.

Díky patentovanému systému dvou kamer a z toho vyplývajícímu velmi širokému dynamickému rozsahu měření dokáže přístroj CAMSIZER X2 v případě kávového prášku stanovit obojí s vysokým rozlišením a dobrou statistickou spolehlivostí. To je znázorněno na obrázku 4 na příkladu kávového prášku s různým mletím.

Při měření byly částice rozptýleny stlačeným vzduchem v modulu pro přívod vzorků X-Jet (obr. 2) při tlaku 80 kPa. Pro vibrační podávání kávového prášku na dávkovacím žlábku vyvinula společnost Microtrac zařízení, které umožňuje bezproblémové podávání pro měření i u velmi špatně tekoucích kávových prášků.

Pražení kávových zrn ovlivňuje jejich křehkost. Mletá káva z křehkých zrn často sestává z hranatých nebo špičatých zrn, které vedou ke snížení hustoty balení u zhutněné kávy. Jak distribuce velikosti částic, tak tvar částic ovlivňují objemovou hustotu, filtrační a extrakční vlastnosti prášku a tím i kvalitu připravené kávy.

Oba obrázky ukazují, že CAMSIZER X2 může pomocí analýzy obrazu určit šířku, délku i průměr ekvivalentní kružnici současně a každý z nich vydat jako své vlastní distribuční křivky. Jedno měření tedy produkuje více výsledků založených na třech různých definicích velikosti částic. Výsledky s ohledem na tyto parametry se významně liší, což současně popisuje nepravidelný tvar zrna: pro sférické částice by rozdělení pro všechny tři definice velikosti bylo stejné.

Ve srovnání, výsledek laserové difrakce, která předpokládá, že částice jsou sférické, poskytuje pouze průměr přes šířku a délku částic. Distribuce získaná laserovou difrakcí tedy nejvíce odpovídá definici „obrazového ekvivalentu průměru“ analýzy obrazu, ale s větším rozpětím. Ve dvou příkladech jsou střední hodnoty (d50) dobře srovnatelné a totéž platí pro procento pokut <200 µm. Laserová difrakce je tak docela schopná spolehlivě charakterizovat kávový prášek.

Správná detekce hrubé frakce je však obtížná. Jelikož se difrakční úhly zmenšují s rostoucí velikostí částic, je obtížnější to změřit. U velkých částic se tedy rozlišení nástrojů nevyhnutelně zhoršuje. Kromě toho malé množství nadměrných částic nemusí generovat dostatek signálu, aby se ve výsledcích zobrazilo.

To je obzvláště jasné na příkladu na druhém obrázku: obrazová analýza zjistí částice dlouhé až 2 mm, laserový výsledek nevykazuje žádné částice> 1200 µm!

Problémem při sítové analýze kávového prášku je soudržnost produktu. Obsah oleje nevyhnutelně vede ke shlukování, adhezi k rámu síta a ucpávání ok síta. Pod 200 µm by mělo být v každém případě použito sítování proudem vzduchu.

To vše představuje vysoké časové náklady na určení distribuce velikosti, která nakonec neobsahuje více než osm datových bodů (= počet použitých sít). Porovnání s dynamickou analýzou obrazu ukazuje, že údaje o sítu se velmi dobře srovnávají s definicí velikosti „šířka částic“.

To je způsobeno skutečností, že během procesu sítování se zrna vyrovnávají takovým způsobem, že procházejí sítem s jejich nejmenší možnou projekční plochou. Sítová analýza má tedy tendenci určovat šířku částic. Z těchto pozorování dále vyplývá, že srovnání mezi sítovou analýzou a laserovou difrakcí lze jen těžko rozumně a spolehlivě dosáhnout u částic nepravidelného tvaru, jako je kávový prášek.