Verfahren zur Herstellung von getrocknetem Kaffee Die Erfindung betrifft das Trocknen von Kaffee- Extrakt und insbesondere das Gefriertrocknen von in zerkleinertem bzw. körnigem Zustand befindlichem Kaffee.
Kaffee-Extrakt wurde bisher in Form von Kügel chen bzw. Peilets eingefroren und in diesem Zustand gefriergetrocknet. Dabei wurden beispielsweise Kaffee tropfen bzw. -kügelchen (Pellets) unmittelbar aus dem flüssigen in den gefrorenen Zustand übergeführt, was dadurch erreicht wurde, dass der einzufrierende Stoff durch eine Düse mit kleiner öffnung in einen Behälter mit gekühlter Flüssigkeit eingespritzt wurde,
in welcher sich die Flüssigkeitströpfchen auftrennen und unter gün stigsten Wärmeaustauschbedingungen einfrieren. Das durch das Gefriertrocknen erhaltene Endprodukt besass jedoch die Nachteile einer hellen Färbung und eines nicht kaffeeähnlichen Aussehens infolge der glatten, ku geligen Form der Kaffeeteilchen. Die helle Färbung eines solchen Kaffees beruht wahrscheinlich auf dem schnellen Einfrieren, das beim direkten Gefrierenlassen des flüs sigen Extrakts erfolgt.
Die Nachteile der hellen Färbung, der hohen Dichte und des nicht kaffeeähnlichen Ausse hens des getrockneten Endprodukts sind speziell in dem Fall offensichtlich, in welchem es gewünscht wird, ein gefriergetrocknetes Kaffeeprodukt zu erzeugen, welches sich der durchschnittlichen Schüttdichte von herkömm lichem, sprühgetrocknetem löslichem Kaffee annähert und welches das matte, grobe Aussehen von frisch ge röstetem und gemahlenem Kaffee besitzt.
Aus diesem Grund wäre es höchst wünschenswert, ein einfaches Verfahren zum Gefriertrocknen von Kaffee-Extrakt zur Verfügung zu haben, bei welchem das erhaltene Kaffeeprodukt ein Aussehen wie gemah lener Röstkaffee aufweist und gleichzeitig eine durch schnittliche Schüttdichte besitzt, die derjenigen von her kömmlichem löslichem Kaffee entspricht.
Unter Gefriertrocknen,> wird die Sublimation von Wasser aus gefrorenem Kaffee-Extrakt unter Bildung eines trockenen löslichen Kaffee-Extraktes verstanden. Ein charakteristisches Merkmal der Erfindung be steht darin, dass sich durch Gefriertrocknen eines aroma tisierten, wässrigen Kaffee-Extrakts ein lösliches Kaffee produkt mit verbessertem Geschmack und Aroma erhal ten lässt.
Erfindungsgemäss wird der Extrakt dadurch aromatisiert, dass dem frisch gerösteten und gemahlenen Kaffee die erwünschten Aromabestandteile entzogen und herkömmlichem bzw. aromafrei gemachtem Kaffe-Ex- trakt zugesetzt werden, welcher dann eingefroren, in körnige Teilchenform zerkleinert und unter Atmosphä ren- oder Unterdruck gefriergetrocknet wird, um einen löslichen Pulverkaffee mit verbessertem Geschmack und besserem Aroma zu erzeugen.
Zum Aromatisieren des Kaffee-Extrakts sind sehr viele verschiedene Aromastoffe geeignet, beispielsweise getrocknete, vakuumdestillierte Aromastoffe, Mahlgas, das während des Mahlens von frisch geröstetem Kaffee aufgefangen wird, Kaffeeöl, vorzugsweise ausgedrücktes Kaffeeöl, d. h.
öl, das grosse Mengen an vom gerösteten Kaffee abgetrennten Aromabestandteilen enthält, dampf destillierte Aromafraktionen oder im Vakuum trocken destillierte Aromastoffe. Neben diesen können auch noch andere Kaffee-Aromastoffe eingesetzt werden.
Bei der Herstellung eines Produkts, das eine dunkel braune Färbung bestitzt. wird ein Extrakt mit niedrigem Feststoffgehalt verwendet, der so langsam eingefroren wird, dass eine ungeordnete Verteilung dendritischer Eiskristalle hervorgebracht wird, die sich dadurch aus zeichnen, dass sie nicht parallele Hauptstämme aufwei sen, von denen dünnere Nebenzweige abgehen, und dass in der eutektischen Mischung zwischen den dendritischen Eiskristallen keine getrennten Eiskristalle nichtdendriti- scher Form vorhanden sind.
Allgemein wird anerkannt, dass schnelles Einfrieren die Verteilung einer grossen An zahl von kleinen Eiskristallen fördert, und dass lang- sames Einfrieren eine geringere Anzahl von grösseren Eiskristallen liefert. Wenn eine dunkelbraune Färbung erzielt werden soll, wird das Gefrieren gemäss dieser Ausführungsform der Erfindung mit einer Geschwindig- keit vorgenommen, bei welcher ein Einschliessen bzw. Aufnehmen von Eiskristallen in der eutektischen Mi schung praktisch vermieden wird.
Speziell bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Herstellung eines gefriergetrockneten Kaffees mit dunklerer, kaffeeähnlicherer Farbe mittels eines Verfah rens, das darin besteht, dass man den Kaffee-Extrakt langsam von seinem Eispunkt bis auf eine Temperatur unterhalb seines eutektischen Punktes abkühlt, um da durch eine kristalline Struktur von aus praktisch reinem Wasser bestehendem Eis, verteilt in einer Grundmasse aus einem eutektischen Gemisch von Wasser, Kaffeefest stoffen und Aromastoffen, zu bilden, und dass man den gefrorenen Extrakt gefriertrocknet.
Als Eispunkt:> wird diejenige Temperatur bezeich net, bei der das Wasser in einem Extrakt aus geröstetem Kaffee in Form von aus praktisch reinem Wasser be stehendem Eis zu kristallisieren beginnt. Der eutekti- sche Punkt ist diejenige Temperatur, bei der ein spe zielles Gemisch von K;!ffeefeststoffen, flüchtigen Aroma stoffen und Wasser, das den niedrigsten Schmelzpunkt von allen mörtlichen Gemischen in dem Extrakt hat, er starrt. In der Tat ist diese Temperatur der niedrigste mögliche Schmelzpunkt irgendwelcher in dem Extrakt enthaltenen Materialien.
Dieser Aspekt der Erfindung umfasst auch denjenigen Teil des Trocknungsprozesses, in dem alle Wassereiskristalle sublimiert worden sind und ein eutektisches Gemisch von Kaffeefeststoffen, Aromastoffen und Wasser zu einem stabilen Feuchtig keitsgehalt getrocknet wird. In diesem Teil des Gefrier trocknungsprozesses ist es möglich, dass eine gewisse Verdampfung von Wasser aus dem flüssigen Zustand eintreten kann, ohne dass der gefrorene Extrakt merklich schmilzt.
Jedoch sollte selbst in diesem Stadium des Trocknens die Temperatur des Produktes unter dem eutektischen Punkt des Materials, das getrocknet wird, _#ehalten werden, um das Schmelzen irgendeines Teils des gefrorenen Kaffce-Fxtraktes zu verhindern.
Wenn Ka ffec-Extrakt erfindungsgemäss langsam ab Rekühlt wird, findet man, dass zuerst Wasser in Form diskreter Kristalle auskristallisiert, während die Tempe ratur des Extraktes den Eispunkt durchläuft.
Beim Fort schreiten der Abkühlun., wachsen diese Kristalle zu dik- kcn Eisnetzwerken, während weiter Wasser aus dem Extrakt ausfällt und der flüssige Teil des Extraktes fort schreitend zu einem konzentrierten eutektischen Ge misch von Wasser, Kaffeefeststoffen und Aromastoffen eingeengt wird.
Wenn die Temperatur weiter fällt, wird ein Punkt erreicht, in dem alles Wasser, das nicht Teil des eutektischen Gemisches ist, gefroren ist; nach dem Durchlaufen dieses Punktes erstarrt das flüssige Eutek- tikum beim weiteren Abkühlen. Da infolge der sinken den Temperatur des Extraktes immer mehr Wasser aus der flüssigen Grundma,sc auskristallisiert, bis eine Fest stoffkonzentration erreicht wird;
bei der nur ein eutek- tisches Gemisch verbleibt, gefriert dieses Gemisch bei der niedrigsten Gefriertemperatur des Systems ohne wei tere Abscheiduna von Wasserkristallen.
Wenn man den Extrakt langsam abkühlt, ist der Wärmeentzug, vorzugsweise während der ganzen Ge- frierstufe @,leichmiissig, da dadurch ein gleichmässiges Wachstum von Eiskristallen durch die ganze Masse des Extraktes hindurch sichergestellt wird.
Eine geeignete Um\,ebungstemperatur zur Erzielung eines langsamen Einfrierens eines Kaffeeteilchen enthal tenden Betts von 100 x 50 x 1,3 cm Grösse und einer Produkttemperatur von 1,7 C bei der Einbringung in einen Kühlraum liegt bei etwa -34,4 bis -40,0v C. Das vollständige Einfrieren des Extrakts würde einen Zeit raum von etwa 120-150 Minuten in Anspruch nehmen, wobei bis zur Eiskristallbilduna etwa 100 Minuten ver gehen.
Beim langsamen Einfrieren mit praktisch gleich mässigem Wärmeentzug wird eine ungeordnete dendriti- sche Eiskristallstruktur gebildet, wenn der Wärmeentzug im Bereich von 0,5-3,.5 cal:'a - cm' - min liegt.
Die gefrorene Charge von Kaffeepartikeln kann in einem bewegten Bett oder in einem statischen Bett ge trocknet werden. Wenn das Endprodukt eine durch schnittliche Schüttdichte erhalten soll, die sich derjeni gen von herkömmlichen sprühgetrockneten löslichen Kaffee-Extrakten annähert, d. h. die im Bereich von etwa 0,16-0,25 a,/cmt liegt, und gleichzeitig das Ausse hen von gemahlenem Röstkaffee besitzen soll, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, grobe Kaffee-Extraktteil- chen mit einem Gehalt an löslichen Feststoffen von we niger als 30 .'.;, beispielsweise 20-27 ';;
, aefrierzutrocknen.
Obgleich das Gefriertrocknen bei Atmosphären- oder Unterdruck durchgeführt werden kann, wird es zwecks Erzielung hoher Sublimationsgeschwindiakeiten und zwecks gleichzeitiger Verringerung von Verlusten der flüchtigen Aromastoffe bevorzuut,@nach einem Gefrier trocknungsverfahren zu arbeiten, bei welchem ein Unter druck von weniger als 500 Mikron, vorzugsweise von etwa 100-250 Nlikron, angewandt wird, um das Wasser in gefrorenem Zustand aus dem Kaffee-Extrakt zu sub limieren.
Die Sublimationstemp ratur sollte unterhalb des eutektischen Punkts des Kaffees (-23,3y C) liegen, und die Temperatur der getrockneten Teile sollte unter etwa 43: C gehalten werden, um einen Verlust an flüch tigen Stoffen und ein;, Zersetzung des Endprodukts zu vermeiden.
Bei der Herstellung des gefrorenen Kaffee-Extraktes für die Gefriertrocknu@;g kann d#_r Extrakt gemäss dem im Schweizer Patent Nr. 480 017 beschriebenen Verfah ren unterteilt werden. Dabei wird häufig eine Fraktion verworfen, die kleiner als 0.177 mm ist.
Der unerwünschte Anteil der gefrorenen Kaffeeteil chen, d. h. die Teilchen, die durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,177 mm und vorzugsweise von 0,42 mm hindurchgehen, kann der Einfachheit halber aus der körnigen Charge ausgesiebt und vollständig oder teilweise in den flüssigen Kaffee-Extrakt zurückgeführt werden, um als Mittel zur Einleitung einer gesteuerten Eiskristaltbildung (Impfung) des Extrakts zu dienen. Dies wird durch Impfen des Extrakts nach der Abküh lung auf eine Temperatur unterhalb seines Eispunkts vorgenommen, der im Fall von 27 ': igem Extrakt unter etwa<B>-2,2"</B> C liegt.
Die Einfricr",cscliwindigkcit wird selbstverständlich in Abhängigkeit von der konzentra- tion des Extrakts an löslichen Feststoffen gesteuert, wo bei der höher konzentrierte Extrakt ein weniger ]angsa- mes Einfrieren erfordert. Durch den Impfvorgang wird eine Unterkühlung und eine spontane Kristallkeimbil- dung infolge der Unterkühlung verhindert.
Die folgenden speziellen Beispiele sollen zur genaue ren Erläuterung der Erfindung dienen.
<I>Beispiel I</I> Ein aromatisierter Kaffee-Extrakt mit einem Ge halt an löslichen Feststoffen von 2 7 ')*, bezogen auf den Gesamtgehalt an Kaffeefeststoffen, wurde @in eine aus rostfreiem Stahl bestehende Gefriermulde von 100 x 50 x 1,3 cm eingebracht. Beim Einbringen in die Mulde besass der Kaffee-Extrakt eine Temperatur von 12,8'l C. Die Gefriermulde wurde in einen Gefrierraum eingebracht, dessen Raumtemperatur bei -34,4 C lag. Der Kaffee-Extrakt wurde etwa 20 Minuten abgekühlt, bis seine Temperatur unterhalb seines Eispunkts von -2.2= C lag.
Der immer noch in praktisch flüssigem Zu stand befindliche Extrakt wurde dann mit etwa 0,68 kg gefrorenem Extrakt geimpft, dessen Teilchen durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,42 mm hindurch gingen. Danach dauerte es etwa 90 Minuten, bis die Temperatur des Extrakts von seinem Eispunkt von -2,2= C unter den eutektischen Punkt von -23,3 C ge sunken war. Nunmehr wurde die Gefriermulde aus dem Gefrierraum entfernt und die gefrorene Charge zur Vor bereitung für das Mahlen aus der Mulde herausgenom men.
Die eingefrorene Charge wurde daraufhin in einer Fitzpatrick-Mühle auf eine endgültige Teilchengrösse von etwa 0,177 bis 1,68 mm vermahlen.
Eine Fitzpatrick-Mühle ist grundsätzlich eine Schlag mühle, worin das zu unterteilende Material durch Häm mer, die sich von einer zentralen Welle erstrecken, zer stossen und gemahlen und durch Öffnungen in einem Sieb gestossen wird, das sich in geringem Abstand unter halb der rotierenden Hämmer befindet. Gewünschten falls können die Hämmer auf der Welle durch Messer ersetzt und das Sieb weggelassen werden. Dieses Mahlen erfolgte in einem Kühlraum, in welchem die Umgebungs- lufttemperatur sowie die Temperatur der Fitzpatrick- Mühle unterhalb -34,4'' C lagen.
Anschliessend wurde die Fraktion mit einer Teil chengrösse von weniger als 0,42 mm vom körnigen Ex trakt abgetrennt und zur Einleitung eines gesteuerten Gefrierens der nächsten Charge des flüssigen Extrakts verwendet.
Der körnige, gefrorene Extrakt wurde dann in einer Höhe von etwa 12,7 mm in eine aus rostfreiem Stahl be stehende Trocknungsmulde von etwa 100 x 53 x 1,3 cm eingebracht, die in einer Gefriertrocknungskammer bei einem Unterdruck von mindestens 500 Mikron auf eine Heizplatte aufgelegt wurde.
Die Temperatur dieser Heiz platte wurde im Verlauf von zwei Stunden gleichmässig auf 71 C erhöht, danach 4 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten und während weiterer 4 Stunden auf 43" C verringert. Die Temperatur der getrockneten Teile des Produkts selbst wurde während des Gefrier- trocknens unterhalb 40' C gehalten, während die Tem peratur des gefrorenen Produkts unterhalb -23,3 C ge- halten wurde. Das Produkt erreichte nach etwa 15 Stun den einen endgültigen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 2 0.
Das Endprodukt besass gleichmässig dunkles Ausse hen und entsprach in Form, Färbung und Aussehen einer natürlichen Mischung gerösteten und gemahlenen Kaffees. Das gefriergetrocknete Produkt besass eine durchschnittliche Schüttdichte von etwa 0,2 g;\cm3 und näherte sich somit der durchschnittlichen Dichte von herkömmlichem sprühgetrocknetem löslichem Kaffee. Ein in eine Tasse mit heissem Wasser eingeschütteter Teelöffel des Qefriergetrockneten Produkts ergab einen aromatischen und ?eschmackreichen Kaffee, der in je der Hinsicht einer frisch zubereiteten Tasse von auf gebrühtem, gemahlenem Röstkaffee entsprach.
<I>Beispiel 2</I> Die Verfahrensweise gemäss Beispiel 1 wurde wiederholt mit dem Unterschied, dass ein herkömmli cher Kaffee-Extrakt mit einem Gehalt von etwa 271, löslichen Kaffeefeststoffen verwendet wurde, der keine besonders zugesetzten Aromastoffe enthielt. Der Extrakt wurde langsam unter Impfung mit Kristallen eingefro ren und in einer Fitzpatrick-Mühle zerkleinert. Danach wurde die Fraktion entfernt, deren Teilchen kleiner als 0,42 mm waren, und zwecks Einleitung eines gesteuerten Gefrierens in den Extrakt zurückzeführt. Anschliessend wurde das Produkt getrocknet.
Das Endprodukt war in Farbe, Form und Aussehen dem Produkt von Beispiel 1 ähnlich. Obgleich dieses Produkt in heissem Wasser nicht dem Aroma- und Geschmackswert der Probe gemäss Beispiel 1 entsprach, näherte es sich in seinen Ge schmacks- und Aromaeigenschaften doch den Eigen schaften einer frisch aufgebrühten Tasse Kaffee an.