Developmentof coffee bean structureduringroasting Investigations on resistance and drivingforces

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1 Diss. ETH No Developmentof coffee bean structureduringroasting Investigations on resistance and drivingforces A dissertation submitted to the SWISS FEDERALINSTITUTEOF TECHNOLOGY ZÜRICH for the degreeof Doctor of TechnicalSciences presented by Raphael Geiger Dipl. Lm.-Ing.ETH born November Citizen of Dietikon (ZH) and Oberegg (AI) accepted on the recommendation of Prof. Dr. Felix Escher, examiner PD Dr. GottfriedZiegleder,co-examiner PD Dr. Beatrice Conde-Petit, co-examiner Dr. Rainer Perren, co-examiner Zürich2004

2 Summary Roasting of coffee beans generates specific roastflavor Compounds and the desired dark color and converts cell wall Polysaccharides into extractable breakdown produets. As a consequence of the complex chemical reactions expansion of the coffee bean into a porous structuretakes place. The mode and extent of expansion are important factors influencing extraetability, flavor retentionand release, coffee oil migrationand degassing behavior during storage. The present investigations aim at elueidating the expansion mechanism as a balanced process between gas evolution as driving forces and State transitions of cell wall material as resistance forces, and at the impact of expansion on gas desorption and oil migrationduring storage of roasted coffee. Roasting experiments on laboratory scale provided the necessary samples. Fluidized-bed hot air roasting with an isothermal high-temperature-short-time (HTST, 260 C, 171 s) and a low-temperature-long-time (LTLT, 228 C, 720 s) program were used as Standard processes. These trials were complemented by roasting with varying time-temperatureprogramsin the fluidized-bed air system andin a rotary drumroaster, and with high pressure roasting experiments. Evolved carbon dioxide and water vapor were monitored online by non-dispersive IR gas analysis in the exhaust air of the roasters. To characterize structural changes, DMTA was carried out on coffee beans and on the prevailing Polysaccharides found in coffee. X-ray diffraction was carried out to analyze crystallinity. Bean microstructure was also analyzedby Scanning Electron Microscopy.Desorptionof carbon dioxide and oil migration were followed in storage experiments with differently roasted coffee. Based on DMTA of mannan, celluloseand arabinogalaetan, State diagrams relating glass transition and meltingtemperatureto moisturecontent could be developed. DMTAthermal curvesofblends of Polysaccharides in the proportion oecurring in coffee beans were in good agreement with the thermal curves of coffee bean speeimens. Therefore, thermo-mechanical behavior of coffee beans during roasting may be explained on the basis of Polysaccharide State transitions. Also the

3 VI transition temperatureof bean structure from the glassy to the rubberystate concurs with the temperatureränge in which the highest rate of volume expansion was observed. The real time monitoringof carbon dioxide and water vapor lead to values which explain most part of gravimetrically determined roast loss when estimated on a weight base. In all roasting runs much more water vapor than carbon dioxide is generatedand released. The carbon dioxide and moistureevolution was higher at the low-temperature-long-time(ltlt) than during the high-temperature-shorttime (HTST)roasting process. As for water vapor, it was possible to differentiate betweeninitial moisturedryingoff in the first phase of roasting and water formed chemically by non-enzymatic browning reactions, which Start at temperatures between 180 and 200 C. The evaporationof initial water in the first stage of roasting was identified as the main driving force for bean volume expansion. Gas desorption and oil migrationduring storage were dependent on the final bean volume. A smaller bean volume resulted in smaller quantity of released carbon dioxide and of surface oil. There is good evidence that the initial stage of the roastingprocess, where the increase ofproduct temperatureis highest and most of the initial moisture evaporates, is of great importance to control the structural development. A moderate rate of product temperatureincrease and a low initial water content ofthe raw material could be benefical for the development of a bean structure, which might result in an improved aroma retentionduring storage.

4 VII II Zusammenfassung Das Rösten von Kaffee stellt einen Prozess dar, in welchem sich die spezifischen Aromakomponentenund die braune Farbe bilden und die Zellwandpolysaccharide in extrahierbare,niedermolekularesubstanzen abgebaut werden. Als Folge der komplex ablaufenden chemischenreaktionen expandiert die Kaffeebohneund erhält eine poröse Struktur. Die Art und das Ausmass der Volumenexpansion beeinflussen die Extrahierbarkeit,die Aromaretention und -freisetzungsowie die Entölung und Entgasung während der Lagerung. In der vorliegendenarbeitwurde der Mechanismus der Volumenexpansion,als Interaktionzwischen Gasbildung in der Bohne als treibende Kraft und physikalischer Zustandsänderung der Zellwandbestandteile als strukturerhaltende Kraft untersucht und die Auswirkungen der Volumenexpansion auf das Entgasungs- und Entölungsverhalten des Röstkaffees während der Lagerunganalysiert. Die Röstversuche wurden auf einem Heissluft-Fliessbettrösterim Labormassstab durchgeführt. Ein isothermer Hochtemperatur-Kurzzeit(HTST, 260 C, 171s) und ein Tieftemperatur-Langzeit (LTLT, 228 C, 720 s) Röstprozess dienten als Standardprozesse. Zusätzlich wurden Röstungen mit unterschiedlichen Zeit- Temperatur Programmen mit dem Fliessbett-Laborröster und mit einem Rotationstrommelrösterdurchgeführt. Die Experimente wurden ergänzt mit Druckröstversuchen. Kohlendioxid und Wasserdampf, welche während des Röstens entweichen wurden in der Röstabluft online mit der Methode der nondispersiven IR Gasnalyse bestimmt. Um die Strukturveränderungenwährend des Röstens zu charakterisieren, wurden thermomechanischeanalysen von Kaffee und der wichtigsten Zellwandpolysaccharide von Kaffee mit der Methode der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) ausgeführt. Die Röntgenbeugungsmessung diente zur Beurteilung der Kristallinität von Kaffee. Die Mikrostruktur von Kaffee wurde zusätzlich mit Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Lagerversuche wurden durchgeführt, um das Entgasungs- und Entölungsverhaltenvon unterschiedlich geröstetemkaffee zu untersuchen.

5 200 VIII Basierend auf den DMTA-Datenvon Mannan, Cellulose, Arabinogalactanund Kaffee wurden Zustandsdiagrammeerstellt, welche die Beziehung zwischen der Glasübergangstemperaturbzw. Schmelztemperatur und dem Wassergehalt der Polysaccharide und von Kaffee zeigen. DMTA-Thermogramme einer Polysaccharidmischung mit identischen relativen Anteilen wie im Kaffee vorkommend zeigten eine gute Uebereinstimmungmit dem Thermogramm von Kaffee. Das thermomechanische Verhaltenvon Kaffee währenddes Röstens kann deshalb aufgrund der physikalischen Zustandsänderungen der untersuchten Zellwandpolysaccharide beurteilt werden. Die Glasübergangstemperatur von Kaffee stimmte auch mit dem Temperaturbereich überein, ab welchem die höchsten Volumenexpansionsraten festgestellt wurden. Mit der online Bestimmung des während des Röstens entweichenden Kohlendioxids und Wasserdampfs konnte ein grosser Teil des gravimetrisch bestimmten Röstverlustes erklärt werden. In sämtlichenröstungen wurde sehr viel mehr Wasser als Kohlendioxid gebildet. Die totale Menge an Kohlendioxid und Wasser im LTLT Prozess war höher als im HTST Prozess. Die total verdampfte Menge Wasser wurde unterteilt in Ausgangswasser, welches durch Trocknungin der Anfangsphase des Röstens ausgetragenwird und Reaktionswasser,welches wahrscheinlichzum grössten Teil durch nicht-enzymatischebräunungsreaktion - bei Temperaturen ab 180 C gebildet wird. Die Verdampfung des Ausgangswassers in der Anfangsphasedes Röstens wurde als wichtigste treibende Kraft der Volumenexpansionidentifiziert. Entgasung und EntÖlung währendder Lagerungwarenabhängigvom Volumender gerösteten Bohnen. Innerhalb einer definierten Lagerperiodeführte ein kleineres Bohnenvolumen zu weniger Gasverlustund weniger ausgetretenemoel. Aus den Resultaten kann gefolgertwerden, dass die Anfangsphase des Röstens, in welcher der Anstieg der Produkttemperaturmaximal ist und das meiste Ausgangswasser entweicht, die Strukturentwicklungder Kaffeebohnenmassgeblich kontrolliert. Eine moderate Anstiegsrate der Produkttemperaturund ein tieferwassergehaltdes Rohkaffees scheinen einen positiven Einfluss auf eine Strukturentwicklungder Bohnen zu haben, welche wahrscheinlich wiederum eine verbesserte Aromaretention während der Lagerungbewirkt.