Farbmessung an Röstkaffee VIS und NIR im Vergleich

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1 Farbmessung an Röstkaffee VIS und NIR im Vergleich Einleitung Die vorliegende Studie wurde durchgeführt, um die Eignung von farbmetrischen Spektralphotometern (Spektralphotometern, die im sichtbaren Wellenlängenbereich VIS messen) für die Bestimmung der Röstfarbe von Kaffeeprodukten zu ermitteln. Obwohl zur Ermittlung des Röstgrades von Kaffee herkömmlicherweise Farbmessgeräte eingesetzt werden, kommen mittlerweile auch zunehmend Geräte zur Messung im nahen Infrarotbereich (NIR Spektrum) zum Einsatz, was unter Anwendern zu einer gewissen Unsicherheit geführt hat. Die vorliegende Studie belegt die Eignung von VIS Spektralphotometern zur exakten Bestimmung der Röstfarbe von Kaffeeprodukten zusammen mit weiteren Vorteilen, die sich im Vergleich zu NIR-Systemen ergeben. Hintergrund Farbe ist einer der wichtigsten Parameter, die zur Vorhersage des Grades der Kaffeeröstung bestimmt werden, und mit denen die Gleichmäßigkeit und Qualität von Röstkaffeeprodukten kontrolliert werden. Farbe wird bestimmt, indem die Reflexion von 400nm bis 700nm gemessen wird. NIR Messungen für Kaffeeprodukte werden typischerweise bei 800nm bis 1000nm durchgeführt. Es wird angenommen, dass NIR Messungen den Röstgrad bestimmen können und dabei ein Prädiktor des Geschmacks sind, weil dieser von der Chemie des Röstvorgangs und der Karamellisierung der Saccharose abhängt 1. Der letzte Punkt wird noch kontrovers diskutiert und in dieser Studie nicht weiter untersucht. Farbmessung wird von der CIE, der Commission Internationale de L'Éclairage, der internationalen Organisation für die Standardisierung von Farbmessungen, eindeutig definiert. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die IR-Spektroskopie die Möglichkeit bietet, Informationen zu Gewichtsverlust und Wassergehalt, chemischer Zusammensetzung und weiteren vergleichbaren Eigenschaften von Kaffee zu erhalten. Allerdings wird diese umfangreiche Kombination von Möglichkeiten nur selten von einem einzelnen NIR System, das für die industrielle Qualitäts- und Prozesskontrolle geeignet ist, abgedeckt. Studie Das experimentelle Studiendesign ist darauf ausgelegt, Ergebnisse zu liefern, die mit den visuellen Röstkaffeenormen korrelieren, die von der SCAA, der Specialty Coffee Association of America, festgelegt und von der Industrie zur Beurteilung der Kaffeefarbe herangezogen werden. Traditionell verwendeten Kaffeeröster eine Serie visueller Standards, die von der SCAA entwickelt wurden, um den Röstgrad ihrer Kaffeeprodukte zu bestimmen. Diese visuelle Grobskala ist für die Bewertung von Kaffee zwar geeignet, bietet aber nur acht Schattierungen und damit keine hohe Auflösung zur Bewertung von Kaffee während des Röstvorgangs. Weiterhin hat sie den Nachteil aller visuellen Bewertungssysteme, nämlich den Fehler, der durch die Subjektivität der Bewertung entsteht.

2 Abbildung Das von der 1 SCAA (Specialty Coffee Association of America) zur Verfügung gestellte Röstkaffeeset mit einem Standardfarbbereich von 95 (hell) bis 25 (dunkel) In der vorliegenden Studie wurden die visuelle Beurteilung (durch mehrere Personen) und Analysen mit Hilfe von Geräten (kolorimetrisch und NIR) mit den im Folgenden dargestellten Methoden miteinander verglichen. Die Studie konzentrierte sich auf zwei spezielle Methoden zur Bestimmung der Röstgrade von Kaffeeprodukten. Bei der ersten Methode wurden Informationen von Spektralphotometern verwendet, die im sichtbaren Spektrum im Bereich von 400nm bis 700nm messen. Bei der zweiten Methode wurden spektralphotometrische Daten aus dem NIR-Bereich verwendet, die sich auf Wellenlängen im Bereich von 800nm bis 1000nm konzentrierten. Die Ergebnisse wurden des Weiteren durch die Konzentration auf bestimmte Wellenlängen vereinfacht, bezüglich derer diese Studie eine gute Korrelation mit den visuellen Bewertungen und SCAA- Klassifizierungen zeigen soll. Für die Berichterstellung und zum Vergleich wurden die Reflexionsgrade im sichtbaren Bereich bei 640nm (10nm Bandpass) und im NIR Bereich bei 880nm (10nm Bandpass) verwendet. Messvorrichtungen Für diese Studie hat HunterLab zwei seiner Farbspektralphotometer ausgewählt, die speziell für die Messung von Röstkaffee entwickelt wurden, das ColorFlex EZ Coffee und das D25 NC. Zudem wurde als Referenzgerät das UltraScan PRO verwendet, das sowohl bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich ( nm) als auch im NIR Bereich messen kann.

3 Abbildung 2: Messung der Röstkaffeefarbe mit dem ColorFLex EZ Coffee durch den Boden einer durchsichtigen Kunststoffschale. Abbildung 3: Berührungslose Messaufnahme des D25 NC für gemahlenen Kaffee und Bohnen. Vorbereitung der Proben und Testverfahren 1) Verschiedene Sorten von grünen Kaffeebohnen wurden unterschiedlich lang geröstet, um eine breite Palette von Röst- und Farbstufen erhalten, die auf der SCAA-Farbskala von 25 (dunkel) bis 95 (hell) reichen. (Die SCAA-Kaffeefarbe wird in der Industrie auch als Agtron-Zahl bezeichnet). 2) Die SCAA-Werte wurden unabhängig voneinander für jede Probe bestimmt und während der gesamten Studie als Referenzwerte verwendet. 3) Nach dem Rösten wurden die Kaffeebohnen gemahlen und für die Messung in Schüsseln gelegt. 4) Wie in Abbildung 2 gezeigt, wurde mit dem CFEZ Coffee die Unterseite der Probe durch den durchsichtigen Boden einer Plastikschale gemessen. Mit dem D25 NC wurde, wie in Abbildung 3 gezeigt, die Probe auf berührungslose Weise durch direktes Betrachten gemessen. Das USPRO wurde im Reflexionsmodus (Spiegelung ausgeschlossen) für gemahlenen Kaffee in einer 50 mm- Glasküvette verwendet. 5) Die Messungen wurden für jede Probe in Übereinstimmung mit der Bedienungsanleitung des jeweiligen Instruments durchgeführt. 6) Für jeden Probensatz wurden zudem unabhängig voneinander Parallelproben gemessen und gemittelt, um ein für den jeweiligen Röstgrad repräsentatives Ergebnis zu erhalten. 7) Alle Farbdaten wurden unter Verwendung von Normlicht CIE D65 und einem 10 Grad- Standardbeobachter nach CIE 1964 berechnet. 8) De Spektraldaten wurden mit Hilfe der Software eines jeden Systems für späteren Abruf und Analyse gespeichert.

4 Analyse der Ergebnisse Zielsetzung 1: Bestimmung des Korrelationsgrades zwischen instrumenteller Messung im sichtbaren Spektrum und den unter Verwendung visueller SCAA-Standards erhaltenen Ergebnissen. Aus den Messungen der Röstkaffee-Proben gingen die in Diagramm 1 gezeigten spektralen Reflexionskurven hervor. Diagramm 1: Spektren von gemahlenem Kaffee (sichtbares Spektrum) Die Kurven zeigen eine klare Differenzierung nach den unterschiedlichen Röstgraden. Dies unterstützt die klassische Verwendung von 640nm als Wellenlänge für die Klassifizierung des Röstgrades. Aus den Reflexionsspektren wurden die Reflexionswerte bei 640nm extrahiert und die entsprechenden farbmetrischen Werte nach dem CIE L*a*b*-Farbsystem berechnet. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt, dass die SCAA-Nummern der Röstkaffeeproben gut mit den in Diagramm 1 gezeigten visuellen Spektren korrelieren, wobei die höchste Auflösung im roten Spektralbereich (640nm) vorhanden ist. Niedrigere SCAA-Nummern beziehen sich auf niedrigere Reflexionswerte bei 640nm. Mit diesem Verständnis der spektralen Auflösung hat HunterLab den Industriestandard von 640nm als Ziel-Wellenlängenbereich für die Bestimmung des Röstgrades von Kaffee eingeführt. Die Korrelation zwischen der 640nm-Reflexion und den SCAA-Nummern ist nachfolgend in Diagramm 2 dargestellt.

5 CFEZ Results D25NC Results SCAA R% 640nm L* a* b* SCAA R% 640nm L* a* b* Tabelle 1: Sieben (7) Proben gemahlenen Kaffees wurden nach ihrer Helligkeit von hell zu dunkel sortiert und ihre gemessenen Werte von SCAA, R% bei 640nm sowie CIE L*, a*, b* aufgelistet. Diagramm 2: Korrelation zwischen SCAA-Nummer und Reflexionsgrad bei 640nm Ziel 2: Vergleich der Messungen aus dem sichtbaren Spektralbereich mit dem nahen Infrarot. Für den Satz der Proben gemahlenen Kaffees wurden die Ergebnisse aus dem sichtbaren Bereich und nahen Infrarot bei den Wellenlängen 640nm (sichtbar) und 880nm (nahes Infrarot) verglichen. Obwohl der Unterschied im Reflexionsgrad zwischen den Proben bei 880nm für alle sieben (7) Proben gemahlenen Kaffees größer ist als bei 640nm, war die Unterscheidung bei beiden Wellenlängen mehr als ausreichend, um den Kaffeeröstgrad richtig zu bestimmen. Alle Proben zeigten mit hervorragender Korrelation den gleichen Trend bei der Änderung der Röstfarben sowohl im sichtbaren Bereich als auch im nahen Infrarot. Die Auflösung des Reflexionsgrads bei 640nm konnte Kaffeeröstproben mit deutlichen Farbunterschieden unterscheiden. Wichtig ist anzumerken, dass

6 der Reflexionsgrad bei 640nm im sichtbaren Spektralbereich mit der visuellen Beurteilung des Kaffeeröstgrades durch Menschen korreliert. Diagramm 3: Spektren gemahlenen Kaffees mit den Referenzmarkierungen für die Wellenlängen im sichtbaren Bereich und nahen Infrarot Die Vergleichsergebnisse aus den Messungen des Reflexionsgrads im sichtbaren Bereich und nahen Infrarot sind nachstehend in Tabelle 2 zusammen mit den entsprechenden SCAA-Nummern angegeben. SCAA R% bei 640nm R% bei 880nm 85 17,71 47, ,07 44, ,29 37, ,21 34, ,53 28, ,96 26, ,22 21,01 Tabelle 2: 640nm und 880nm für die sieben (7) Proben gemahlenen Kaffees mit unterschiedlichen Röstgraden

7 R% bei 880 nm Der nachfolgend in Diagramm 4 dargestellte Vergleich der beiden Messwellenlängen 640nm und 880nm zeigt eine starke Korrelation zwischen den Messungen und unterstützt die Annahme, dass jede der Wellenlängen geeignete Ergebnisse liefert. 55 USPRO gemahlener Kaffee R% bei 640 nm und bei 880 nm R² = 0, R% bei 640 nm Diagramm 4: Korrelation von R% bei 640nm und R% bei 880nm für 7 Proben gemahlenen Kaffees Praktische Anwendung der Ergebnisse in HunterLab-Instrumenten. Durch das Wissen um die starke Korrelation zwischen dem Grad der Röstfarbe und dem Reflexionsgrad im 640nm Spektralband hat HunterLab die Messdaten durch zwei Qualitätskennzahlen vereinfacht: Die in Zahlen angegebene SCAA Röstklassifikation und entsprechende Wortklassifikationen sorgen für einen Branchenstandard zur Angabe der endgültigen Röstfarbe. Der HunterLab Coffee Color Index (HCCI) misst den Reflexionsgrad von gemahlenem Kaffee bei 640nm, was sich am besten für Messungen beim Röstprozess eignet und für ein einheitliches Endergebnis beim Kaffeeprodukt sorgt. Abbildung 4: In HunterLab-Kaffeeinstrumenten sind die Farbindizes HCCI und SCAA angegeben.

8 Ergebnisse und Empfehlungen In dieser Studie wollten wir verstehen: 1. Wie der Reflexionsgrad in % im sichtbaren Spektralbereich mit den SCAA-Röstnummern korreliert, 2. wie sich der Reflexionsgrad in % im nahen Infrarot im Vergleich zum sichtbaren Bereich bei den Röstkaffeeproben verhält, 3. wie diese Gesetzmäßigkeiten effektiv in den HunterLab-Instrumenten angewandt werden können. Die HunterLab Farbmessgeräte konnten erhebliche Unterschiede im Reflexionsgrad bei 640nm messen und im gesamten SCAA-Bereich erfolgreich die Proben gemahlenen Kaffees unterscheiden. Verglichen mit visuellen Methoden liefern die Instrumente von HunterLab objektivere und präzisere Ergebnisse der Farbmessung für die Bestimmung des Kaffeeröstgrades. Die HunterLab Farbmessgeräte bieten ein komplettes Farbprofil der Kaffeeproben im sichtbaren Spektralbereich, ohne das ein spezielles Infrarot Gerät nötig ist. Weitere Vorteile eines HunterLab Spektralphotometers im sichtbaren Bereich sind: Konformität zum weltweiten CIE-System von Farbmessungen für alle Produkte. Kalibrierung der Geräte zur Einhaltung nachvollziehbarer Standards. Unabhängige Diagnosestandards, um die Leistung des Farbmessgerätes zu prüfen. Standards der Anwendungs-Leistungsbeurteilung (PQ) mittels HunterLab Coffee Tile. Möglichkeit, neben Kaffee auch die Farbe anderer Produkte zu messen. Literaturangaben 1. Specialty Coffee Association of America, Handbuchreihe: Roast Color Classification system, 2. Weyer, L. G., Near-infrared Spectroscopy of Organic Substances. Applied Spectroscopy Reviews, 21, /2014