Thermische Zersetzungswege von Chlorogensäure (CGA) in Rohkaffee und das Verhältnis der Bildung von Chinasäure/Kaffeesäure während der Röstung

1. Bestimmungsgleichungen für Wärmeübertragung und Energiebilanz im Röstprozess

Das Kaffeerösten ist ein hochkomplexer thermodynamischer Prozess, bei dem physikochemische Veränderungen innerhalb der Kaffeebohnen durch die Effizienz des Energietransfers in der Trommel bestimmt werden. Die gesamte von den Bohnen während der Röstung aufgenommene Wärme wird als Summe aus Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung definiert. Die Energiebilanzgleichung, welche die Rate of Rise (RoR) im Kern der Bohne bestimmt, lautet wie folgt:

$m C_p \\frac{dT_s}{dt} = q_{cond} + q_{conv} + q_{rad} - Q_{evap} + Q_{rxn}$

Hierbei repräsentiert jeder Term die folgenden physikalischen Bedeutungen:

• $q_{cond} = -k A \\nabla T$: Direkte konduktive Wärmeübertragung zwischen der Trommeloberfläche und den Kaffeebohnenpartikeln.
• $q_{conv} = h A (T_g - T_s)$: Konvektive Wärmeübertragung zwischen dem Luftstrom und der Bohnenoberfläche, wobei der Wärmeübergangskoeffizient $h$ als treibende Kraft in der späteren Röstphase fungiert.
• $q_{rad} = \\epsilon \\sigma A (T_{surr}^4 - T_s^4)$: Der Prozess der Strahlungsenergie, die von den erhitzten Trommelwänden emittiert und von den Bohnen absorbiert wird.
• $Q_{evap} = \\frac{dm_w}{dt} \\Delta H_{vap}$: Die latente Wärme, die für die Wasserverdampfung während der anfänglichen Trocknungsphase verbraucht wird.
• $Q_{rxn}$: Die Enthalpieänderung während der Maillard-Reaktionen und der thermischen Zersetzung der Chlorogensäure; eine präzise Steuerung ist erforderlich, insbesondere in der exothermen Reaktionszone nahe 200°C.

2. Modellierung der Glasübergangstemperatur $(T_g)$ und Phasenübergang der Zellwandstruktur

Rohkaffee behält in einer trockenen Umgebung einen glasartigen Zustand bei und geht in einen gummiartigen Zustand über, da Feuchtigkeit als Weichmacher wirkt. An diesem Punkt kann die Glasübergangstemperatur $(T_g)$ durch die Gordon-Taylor-Beziehung vorhergesagt werden:

$\\frac{1}{T_g} = \\frac{w_1}{T_{g1}} + \\frac{w_2}{T_{g2}}$

Zu Beginn der Röstung, wenn der Feuchtigkeitsgehalt $(w)$ hoch ist, bleibt $T_g$ niedrig, was die plastische Verformung der Zellwände erleichtert. Da jedoch die Röstung fortschreitet und Feuchtigkeit schnell verdampft, steigt $T_g$ an und die Struktur wird sehr spröde. Die an diesem Punkt gebildete poröse Struktur liegt im Bereich von etwa $\\epsilon \\approx 0.3 \\sim 0.5$, was eine entscheidende Rolle für den Diffusionspfad der Chlorogensäure und die Freisetzung der finalen Aromastoffe spielt.

3. Thermische Zersetzungswege von Chlorogensäure (CGA) und chemische Produkte

Chlorogensäure (CGA), die die Säure und Bitterkeit des Kaffees moduliert, unterliegt während der Röstung zwischen 160°C und 200°C ihrer aktivsten Zersetzung. Die thermische Zersetzung von CGA verläuft über den folgenden Pfad und wandelt sich in Chinasäure und Kaffeesäure um. Dieser Prozess reagiert empfindlich auf Temperaturänderungen, und das Spektrum der Säure ändert sich mit zunehmender Röstzeit.

Temperaturbereich	Hauptchemische Reaktion	Produkteigenschaften
160°C ~ 180°C	CGA-Hydrolyse	Chinasäure (Säure) und Kaffeesäure (Körper) Bildung
190°C ~ 210°C	Lactonisierung	Chinasäure-Lactone (Moderate Bitterkeit)
210°C und darüber	Phenylindan-Polymerisation	Phenylindane (Sehr starke, unangenehme Bitterkeit)

Phenylindane, die während der Dunkelröstphase entstehen, sind kondensierte Strukturen, die aus der thermischen Zersetzung von Chinasäure-Lactonen resultieren, wodurch Bitterkeit bereits bei sehr niedrigen Schwellenwerten wahrnehmbar wird. Folglich liegt der Kern der Röstwissenschaft darin, das $Q_{rxn}$ der Energiebilanzgleichung so zu steuern, dass CGA für optimale Säure und Süße in Richtung des Chinasäurebereichs geleitet wird, oder durch physikalische Temperaturprofile die übermäßige Bildung von Phenylindanen zu unterdrücken. Da die Effizienz der Wärmeübertragung nach dem "First Crack"—dem Punkt, an dem die Sprödigkeit der Zellstruktur maximal ist—mit den internen Porositätsänderungen variiert, ist die präzise Steuerung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten zur Regulierung der Geschwindigkeit der thermischen Zersetzung für eine hochwertige Röstung unerlässlich.