KMU-innovativ Prozessanalyse und -steuerung der industriellen Röstung von Lebens- und Genussmitteln mittels Photoionisationsmassenspektrometrie am Beispiel von Kaffee (PPK)

Problemstellung
Der Röstvorgang von Kaffee ist ein lebensmitteltechnologischer Prozess mit hoher Wertschöpfung und volkswirtschaftlicher Bedeutung. Das Handelsvolumen von Röstkaffee in Deutschland beträgt 3,5 Milliarden Euro. Die typischen Aromastoffe entstehen bei einer milden Pyrolyse der grünen Kaffeebohnen bei 250 bis 380 °C. Um den Röstprozess zu erforschen und die Ausbeute an erwünschten Aromastoffen zu optimieren, ist eine verlässliche online-Prozessanalytik notwendig, die relevante Stoffe und deren Aromen in Echtzeit erfasst.

Projektziele
Im KMU-innovativ-Projekt PPK wird eine online-Prozessmesstechnik auf Basis der Lasermassenspektrometrie entwickelt, welche molekulare Indikatoren für den Röstgrad, die Aromaqualität und den Gehalt an gesundheitsfördernden Stoffen während des Röstprozesses erfasst. Damit kann die Röstung gezielt an gewünschte Aromaprofile angepasst und so die Bildung gesundheitsrelevanter Zielkomponenten begünstigt werden. Darüber hinaus wird für die industrietaugliche Prozessmesstechnik ein Softwarepaket entwickelt, um die online erfassten, molekularen Informationen direkt in Prozess- und Produktinformationen zu überführen.

Vorgehensweise
Zur Analytik komplexer chemischer Gemische, wie dem Kaffee-Röstgas, bedarf es einer selektiven, sensitiven und zuverlässigen Messtechnik. Diese Herausforderung lässt sich mit schnellen Massenspektrometern, die mit weichen Ionisierungsverfahren arbeiten, lösen. Im Projekt sollen für die Ionisierung Photonen eingesetzt werden, die mit einem speziellen Hochfrequenzlaser erzeugt werden. Umgebungsgase, wie Stickstoff und Sauerstoff, verbleiben nichtionisiert und bilden dadurch keine Fehlaromen. Dazu wird ein Prozessanalysator entwickelt und in mehreren Mess- und Erprobungskampagnen in kleinen, mittleren und industriellen Röstanlagen erprobt. Die gemessenen molekularen Signale und die prognostizierten Prozess- und Produkteigenschaften werden dabei in Echtzeit untersucht. Zusätzlich sollen verschiedene statistische Verfahren zur Prozessoptimierung des Kaffeeröstens in einem Softwarepaket zur Verfügung gestellt werden.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse werden im industriellen Produktionsumfeld bei dem Kaffee-Großproduzenten Azul Kaffee (assoziierter Projektpartner) prototypisch demonstriert. Mittel- bis langfristig kann die online-Echtzeit-Prozesskontrolle auch für viele weitere aromaintensive Prozesse in der Lebensmittelindustrie, wie beispielsweise der Kakaoherstellung oder dem Rösten von Nüssen, von großem Interesse sein.

• MLASE AG
• Photonion GmbH
• Universität Rostock