Kawa mielona analiza wielkości i kształtu cząstek dla doskonałego smaku

Ziarna kawy są jednym z najważniejszych towarów, a szacuje się, że każdego dnia na całym świecie spożywa się 1,4 miliarda filiżanek kawy. Smak kawy zależy od palenia ziaren, rozkładu wielkości proszku oraz rodzaju i jakości przygotowania. Różne metody przygotowywania w procesie parzenia i filtrowania (np. ekspres do kawy, kawa filtrowana lub AeroPress) wymagają różnego zmielenia kawy w proszku w celu uzyskania aromatycznego rezultatu. Gdy palone ziarna kawy są mielone na proszek, określenie rozkładu wielkości cząstek odgrywa decydującą rolę, ponieważ ma znaczący wpływ na właściwości parzenia i filtrowania, a tym samym na smak i walory smakowe napoju.

Podczas przygotowywania kawy ważne jest osiągnięcie optymalnej ekstrakcji składników, które są rozpuszczane z mielonej kawy przez gorącą wodę lub parę. Im drobniejsza kawa w proszku, tym więcej składników można wydobyć w krótszym czasie. Jeśli stopień zmielenia kawy nie jest optymalnie dopasowany do czasu trwania i temperatury procesu parzenia, istnieje ryzyko, że kawa będzie nadmiernie lub niedostatecznie ekstrahowana. Kawa niedostatecznie ekstrahowana (= zbyt grubo zmielona) ma słaby aromat i wodnisty smak. Kawa poddana nadmiernej ekstrakcji (= zbyt drobne mielenie) ma gorzki smak z powodu zbyt dużej ilości rozpuszczonych składników (np. garbników). Dzięki niezawodnemu określeniu wielkości cząstek można uzyskać powtarzalne mielenie dla danego procesu przygotowania, co skutkuje doskonałą w smaku kawą o zrównoważonym aromacie. Ze względu na wysoką zawartość oleju, szeroki rozkład wielkości cząstek i bardzo nieregularny kształt cząstek, kawa w proszku wykazuje trudne zachowanie materiału sypkiego, tj. cząstki mają silną tendencję do aglomeracji, a proszek jest trudny do przesypywania lub przenoszenia. Należy to odpowiednio uwzględnić w mechanicznych i optycznych metodach pomiarowych.

Tradycyjnie rozkład wielkości cząstek kawy w proszku określano za pomocą przesiewania analitycznego. Jednak metoda dyfrakcji laserowej staje się coraz bardziej uznawana za metodę standardową. Obie metody mają pewne ograniczenia pod względem zawartości informacji, dokładności i czułości. Kawa w proszku, zwłaszcza stosowana w kapsułkach lub strąkach, jest wysoce zoptymalizowana pod kątem danego procesu przygotowania i musi spełniać bardzo rygorystyczne specyfikacje jakościowe. Często można je sprawdzić tylko za pomocą metod obrazowania, które zapewniają bardzo wysoką rozdzielczość rozkładu wielkości przy jednoczesnej wysokiej przepustowości próbki.

Przykładowe pomiary kawy w proszku za pomocą dynamicznej analizy obrazu, dyfrakcji laserowej i przesiewania

Kawa w proszku ma zazwyczaj szeroki rozkład wielkości cząstek z wyraźną frakcją drobną i grubą. Drobna frakcja jest mniejsza niż 200 μm, gruba frakcja może osiągnąć do 2 mm. Dzięki opatentowanemu systemowi dwóch kamer i wynikającemu z tego bardzo szerokiemu dynamicznemu zakresowi pomiarowemu, CAMSIZER X2 może określić zarówno wysoką rozdzielczość, jak i dobrą wiarygodność statystyczną w przypadku kawy w proszku. Pokazano to na rysunku 4 na przykładzie kawy w proszku o różnym stopniu zmielenia. Podczas pomiaru cząstki były rozpraszane sprężonym powietrzem w module podawania próbki X-Jet (rys. 2) pod ciśnieniem 80 kPa. Do wibracyjnego podawania kawy w proszku na rynnie dozującej firma Microtrac opracowała urządzenia, które umożliwiają bezproblemowe podawanie do pomiaru nawet bardzo słabo płynącej kawy.

Palenie ziaren kawy wpływa na ich kruchość. Kawa mielona z kruchych ziaren często składa się z kanciastych lub spiczastych ziaren, co prowadzi do mniejszej gęstości upakowania w zagęszczonej kawie. Zarówno rozkład wielkości cząstek, jak i kształt cząstek wpływają na gęstość nasypową, właściwości filtracyjne i ekstrakcyjne proszku, a tym samym na jakość przygotowanej kawy. Oba rysunki pokazują, że CAMSIZER X2 może wykorzystywać analizę obrazu do jednoczesnego określania zarówno szerokości, długości, jak i średnicy ekwiwalentu koła i wyprowadzania każdej z nich jako własnej krzywej rozkładu. W ten sposób jeden pomiar daje wiele wyników w oparciu o trzy różne definicje wielkości cząstek. Wyniki w odniesieniu do tych parametrów znacznie się różnią, co jednocześnie opisuje nieregularny kształt ziarna: w przypadku cząstek sferycznych rozkłady dla wszystkich trzech definicji wielkości byłyby identyczne. Dla porównania, wynik dyfrakcji laserowej, który zakłada, że cząstki są kuliste, zapewnia jedynie średnią szerokość i długość cząstek. Tak więc rozkład uzyskany za pomocą dyfrakcji laserowej najbardziej odpowiada definicji „średnicy równoważnej okręgowi” analizy obrazu, ale z większą rozpiętością. W obu przykładach wartości mediany (d50) są dobrze porównywalne, a to samo dotyczy procentu drobnych cząstek < 200 µm. Dyfrakcja laserowa jest zatem w stanie dość wiarygodnie scharakteryzować kawę w proszku. Jednak prawidłowe wykrycie frakcji gruboziarnistej jest trudne. Ponieważ kąty dyfrakcji stają się mniejsze wraz ze wzrostem wielkości cząstek, jest to trudniejsze do zmierzenia. W związku z tym rozdzielczość instrumentów nieuchronnie staje się gorsza dla dużych cząstek. Ponadto małe ilości cząstek o zbyt dużych rozmiarach mogą nie generować wystarczającego sygnału, aby mogły być reprezentowane w wynikach. Jest to szczególnie wyraźne w przykładzie na drugim rysunku: analiza obrazu znajduje cząstki o długości do 2 mm, wynik laserowy nie pokazuje żadnych cząstek > 1200 µm!

Problemem związanym z analizą sitową kawy w proszku jest spoistość produktu. Zawartość oleju nieuchronnie prowadzi do zbrylania, przywierania do ramy sita i zatykania oczek sita. Poniżej 200 µm w każdym przypadku należy stosować przesiewanie strumieniem powietrza. Wszystko to wiąże się z dużym nakładem czasu w celu określenia rozkładu wielkości, który ostatecznie obejmuje nie więcej niż osiem punktów danych (= liczba użytych sit). Porównanie z dynamiczną analizą obrazu pokazuje, że dane z sit są bardzo dobrze porównywalne z definicją wielkości „szerokości cząstek”. Wynika to z faktu, że podczas procesu przesiewania ziarna ustawiają się w taki sposób, że przechodzą przez sito z najmniejszą możliwą powierzchnią projekcji. Analiza sitowa ma zatem tendencję do określania szerokości cząstek. Z tych obserwacji wynika również, że porównanie analizy sitowej i dyfrakcji laserowej nie może być rozsądne i wiarygodne w przypadku cząstek o nieregularnych kształtach, takich jak kawa w proszku.