Kávépor szemcseméret- és alakanalízis a pompás ízekért

A kávészemek a legfontosabb árucikkek egyike, hiszen becslések szerint naponta világszerte 1,4 milliárd csésze kávét isznak meg az emberek. A kávé ízét meghatározza a kávészemek pörkölési módja, a kávépor szemcseméret-eloszlása és a kávéfőzés típusa és minősége is. A főzés és szűrés különböző módszerei (pl. presszógép, filteres kávé vagy AeroPress) a kávépor különböző őrlöttségi szintjét ét kívánják meg aromadús eredmény eléréséhez. A pörkölt kávészemek elporításakor döntő szerephez jut a szemcsék méreteloszlása meghatározása, mivel ez jelentősen befolyásolja a főzési és szűrési tulajdonságokat és így a kávé ízét és aromásságát.

Kávékészítéskor fontos az alkotóelemek optimális kinyerése, melyet az őrölt kávéból forró víz vagy gőz általi kioldással érünk el. Minél finomabb a kávépor, annál több alkotóelem oldható ki rövidebb idő alatt. Ha az őrlöttségi fok nem optimális a főzés időtartamához és hőmérsékletéhez, akkor fennáll a veszély, hogy a kávészemekből túl sok vagy túl kevés oldódik ki. Ha túl kevés (= túlságosan durva őrlés), akkor a kávénak nincs aromája és vízízű. Ha túl sok (= túlságosan finom őrlés), akkor keserű lesz a kávé íze a túl sok kioldott alkotóelem (pl. tanninsavak) miatt.
A szemcseméret megbízható meghatározásával reprodukálható őrlés valósítható meg, így kiegyensúlyozott aromájú pompás kávé készíthető. A nagy olajtartalom miatt a széles méreteloszlású és nagyon szabálytalan alakú szemcséjű kávépor ömlesztett formában nehézségeket okozó tulajdonságokat mutat, pl. a szemcsék hajlamosak összetapadni (agglomerálódni), nem szóródnak, ezért nehéz önteni vagy szállítani őket. Ezt megfelelően figyelembe kell venni a mechanikai és optikai mérőberendezésekben.

A kávépor szemcseméret-eloszlását hagyományosan szitaelemzéssel határozzák meg. Ugyanakkor a lézerfénydiffrakció is egyre inkább elfogadott módszerré válik. Mindkét módszernek vannak azonban bizonyos korlátai az információtartalomra, a mérés helyességére és érzékenységére vonatkozóan. A kávépor - különösen ha kapszulában használják - különösen optimalizálva van az elkészítés módjára és nagyon szigorú minőségi követelményeknek kell megfelelnie. Ezek gyakran csak képfeldolgozó módszerekkel ellenőrizhetők, melyek a nagyfelbontású méreteloszlásokat nagy mintafeldolgozási termelékenységgel együtt képesek biztosítani.

Példák kávépor mérésére dinamikus képfeldolgozás, lézerfénydiffrakció és szitaelemzés módszerével

A kávépor jellemzően hangsúlyos finom- ill. durvarészt tartalmazó, széles méreteloszlást mutat. A finomrész  szemcséi < 200 μm méretűek, a durvarészé elérheti a 2 mm-t.

A szabadalmaztatott 2-kamera rendszernek és az ebből eredő nagyon széles méréstartománynak köszönhetően a CAMSIZER X2 készülék nagy felbontással és kiváló statisztikai megbízhatósággal képes analizálni a kávéport. Ezt mutatja a 4. ábra különböző őrlöttségű kávéporok példáján.

A mérés során az X-Jet mintabevezető modulban (2. ábra) 80 kPa nyomású, sűrített levegő diszpergálja a szemcséket. A kávépor adagolócsúszdán történő vibrációs mintabevezetéséhez a Microtrac cég kifejlesztett különböző segédeszközöket, melyek lehetővé teszik még a nagyon rosszul szóródó kávéporok mérését is.

A kávészemek pörkölése befolyásolja azok törékenységét. A törékeny kávészemekből őrölt kávé szemcséi pedig gyakran szögletesek vagy hosszúkásak, ami viszont kisebb csomagolhatósági sűrűséghez vezet. Tehát a szemcsék méret- és alakeloszlása is befolyásolja az ömlesztett anyag sűrűségét, és így a kávépor szűrhetőségi és extrahálhatósági tulajdonságait és így végső soron az elkészített kávé minőségét.

Az alábbi ábrák mutatják, hogy a CAMSIZER X2 képelemző eljárása képes egyidejűleg meghatározni a szemcsék szélességét (xc_min), hosszúságát (lxFemax) és egyenértékű területű kör átmérőjét (x_area) és megadni e méretparaméterek szerinti külön méreteloszlásokat. Így tehát egyetlen mérés több eredményt is szolgáltat a szemcseméret három különböző definíciójának megfelelően. E paraméterek szerinti méreteloszlások jelentősen eltérnek egymástól, ami egyúttal a szemek szabálytalan alakjára utal: gömbszerű szemcsék esetén ugyanis mindhárom méretparaméter szerinti eloszlás azonos lenne.

A szemcséket gömbszerűnek feltételező lézerfénydiffrakció szemcseméretként csak a szemcsék szélességéből és hosszúságából képzett átlagértéket szolgáltatja eredményül. Így a lézerfénydiffrakció módszerrel mért méreteloszlás leginkább a képfeldolgozásban az "egyenértékű területű kör átmérőjeként (x_area)" definiált szemcseméret, kicsit szélesebb méretű eloszlásához hasonlít. Mindkét eloszlás medián értéke (d50) jól egyezik, és ugyanez igaz a < 200 µm méret alatti finomrész százalékos értékeire. A lézerfénydiffrakció tehát egész megbízhatóan képes jellemezni a kávépor méreteloszlását.
A túlméretes szemcsék helyes detektálása azonban nehéz. A szemcseméret növekedésével ugyanis a diffrakciós szögek egyre kisebbek lesznek, ezért sokkal nehezebb ezek mérése. A készülék felbontása elkerülhetetlenül gyengébb nagyobb szemcsék esetén. Ráadásul a kis mennyiségű túlméretes szemcsék esetleg nem generálnak elegendően erős jelet, hogy megjelenhessék az eredményekben.

Ez különösen jól látható a második ábrán: képfeldolgozás módszere talál szemcséket akár 2 mm méretig, a lézeres készülék azonban már nem "lát" egyetlen szemcsét sem > 1200 µm mérettartományban!

A kávépor szitaelemzésénél a probléma, hogy a termék nehezen szitálható. Az olajtartalom elkerülhetetlenül csomósodáshoz, szitakerethez való tapadáshoz, szitalyukak eltömődéséhez vezet. 200 µm szemcseméret alatt mindenképp légsugaras szitagépet kell használni.

Mindez nagy időráfordítást igényel, s mely végül csak nyolc adatpontból (=használt sziták száma) álló méreteloszlás meghatározást teszi lehetővé. A dinamikus képfeldolgozás és a szitaelemzés eredményei összehasonlítása mutatja, hogy a szitálási adatok nagyon jól megfeleltethetők a szemcseszélesség (xc_min) méretparaméter értékeinek. Ez abból a tényből származik, hogy a szitálás során a szemcsék úgy helyezkednek el, hogy lehető legkisebb területű vetületet mutatva átjussanak a szita lyukain. A szitaelemzés tehát a szemcsék méreteként azok szélességét képes meghatározni. Ebből az is következik továbbá, hogy a szitaelemzés és a lézerfénydiffrakció eredményei értelmezhetően és megbízhatóan nem hasonlíthatók össze olyan szabálytalan alakú szemcsék esetén, mint amilyenekből a kávépor is áll.