Kávový prášok analýza veľkosti a tvaru častíc pre skvelú chuť

Zrnková káva je jednou z najdôležitejších komodít, pričom podľa odhadov sa na celom svete denne spotrebuje 1,4 miliardy šálok kávy. Chuť kávy závisí od praženia zŕn, rozdelenia veľkosti prášku a typu a kvality prípravy. Rôzne spôsoby prípravy v procese varenia a filtrovania (napr. kávovar na espresso, filtrovaná káva alebo AeroPress) si vyžadujú rôzne mletie kávového prášku na dosiahnutie aromatického výsledku. Pri mletí pražených kávových zŕn na prášok zohráva rozhodujúcu úlohu určenie distribúcie veľkosti častíc, pretože má významný vplyv na vlastnosti varenia a filtrácie, a tým aj na chuť a slanosť nápoja.

Pri príprave kávy je dôležité dosiahnuť optimálnu extrakciu zložiek, ktoré sa z mletej kávy rozpúšťajú v horúcej vode alebo pare. Čím jemnejší je kávový prášok, tým viac zložiek sa dá extrahovať za kratší čas. Ak mletie nie je optimálne prispôsobené trvaniu a teplote procesu varenia, existuje riziko, že káva bude nadmerne alebo nedostatočne extrahovaná. Nedostatočne extrahovaná káva (= príliš hrubé mletie) má málo arómy a vodnatú tázu. Príliš extrahovaná káva (= príliš jemné mletie) má horkú chuť kvôli príliš veľkému množstvu rozpustených zložiek (napr. trieslovín).

Spoľahlivým určením veľkosti častíc možno dosiahnuť reprodukovateľné mletie pre príslušný proces prípravy, čo vedie k výbornej chuti kávy s vyváženou arómou. Vzhľadom na vysoký obsah oleja, širokú distribúciu veľkosti častíc a veľmi nepravidelný tvar častíc vykazuje kávový prášok zložité správanie sa sypkého materiálu, t. j. častice majú silnú tendenciu aglomerovať a prášok sa ťažko sype alebo prenáša. Túto skutočnosť treba primerane zohľadniť pri mechanických a optických metódach merania

Tradične sa distribúcia veľkosti častíc kávového prášku určovala analytickým sitovaním. Ako štandardná metóda sa však čoraz viac presadzuje metóda laserovej difrakcie. Obe metódy majú určité obmedzenia, pokiaľ ide o informačný obsah, presnosť a citlivosť. Kávový prášok, najmä ak sa používa v kapsulách alebo strukoch, je vysoko optimalizovaný pre príslušný proces prípravy a musí spĺňať veľmi prísne špecifikácie kvality. Tie sa často dajú skontrolovať len pomocou zobrazovacích metód, ktoré poskytujú rozdelenie veľkosti s veľmi vysokým rozlíšením pri súčasnej vysokej priepustnosti vzorky.

Príklady meraní kávového prášku pomocou dynamickej analýzy obrazu, laserovej difrakcie a sitovania

Kávový prášok má zvyčajne širokú distribúciu veľkosti častíc s výraznou jemnou a hrubou časťou. Jemná frakcia je menšia ako 200 μm, hrubá frakcia môže dosahovať až 2 mm.

Vďaka patentovanému systému dvoch kamier a z toho vyplývajúcemu veľmi širokému dynamickému meraciemu rozsahu dokáže CAMSIZER X2 v prípade kávového prášku stanovovať s vysokým rozlíšením aj s dobrou štatistickou spoľahlivosťou. To je znázornené na obrázku 4 na príklade kávového prášku s rôznym mletím.

Počas merania boli častice rozptýlené stlačeným vzduchom v module X-Jet na podávanie vzoriek (obr. 2) pri tlaku 80 kPa. Na vibračné podávanie kávového prášku na dávkovacom žľabe vyvinula spoločnosť Microtrac zariadenia, ktoré umožňujú bezproblémové podávanie na meranie aj pri veľmi slabo tečúcom kávovom prášku.

Praženie kávových zŕn ovplyvňuje ich krehkosť. Mletá káva z krehkých zŕn často pozostáva z hranatých alebo hrotitých zŕn, ktoré vedú k nižšej hustote balenia v zhutnenej káve. Distribúcia veľkosti častíc a tvar častíc ovplyvňujú objemovú hmotnosť, filtračné a extrakčné vlastnosti prášku a tým aj kvalitu pripravenej kávy.

Obidva obrázky ukazujú, že CAMSIZER X2 môže pomocou obrazovej analýzy určiť šírku, dĺžku aj priemer ekvivalentný kružnici súčasne a každý z nich vydať ako svoje vlastné distribučné krivky. Jedno meranie teda poskytuje viac výsledkov na základe troch rôznych definícií veľkosti častíc. Výsledky týkajúce sa týchto parametrov sa významne líšia, čo zároveň popisuje nepravidelný tvar zrna: pre sférické častice by boli distribúcie pre všetky tri definície veľkosti rovnaké.

Na porovnanie, výsledok laserovej difrakcie, ktorá predpokladá, že častice sú sférické, poskytuje iba priemer po šírke a dĺžke častíc. Distribúcia získaná laserovou difrakciou sa teda najviac zhoduje s definíciou „obrazového ekvivalentu priemeru“ analýzy obrazu, ale s väčším rozpätím. V dvoch príkladoch sú stredné hodnoty (d50) dobre porovnateľné a to isté platí pre percento jemných častíc <200 um. Laserová difrakcia je teda celkom schopná spoľahlivo charakterizovať kávový prášok.

Správna detekcia hrubej frakcie je však zložitá. Pretože sa difrakčné uhly zmenšujú so zväčšujúcou sa veľkosťou častíc, je ťažšie to zmerať. Rozlíšenie nástrojov sa tak nevyhnutne stáva pre veľké častice horšie. Okrem toho malé množstvo nadmerných častíc nemusí generovať dostatok signálu na to, aby bol zastúpený vo výsledkoch.

To je zvlášť zreteľné na príklade na druhom obrázku: obrazová analýza zistí častice dlhé až 2 mm, laserový výsledok neukáže žiadne častice> 1 200 µm!

Problémom pri sitovej analýze kávového prášku je súdržnosť produktu. Obsah oleja nevyhnutne vedie k zhlukovaniu, adhéziu k rámu sita a upchávaniu ôk sita. Pod 200 mikrometrov by malo byť v každom prípade použité sitovanie prúdom vzduchu.

To všetko predstavuje vysoké časové náklady na určenie distribúcie veľkosti, ktorá nakoniec neobsahuje viac ako osem dátových bodov (= počet použitých sít). Porovnanie s dynamickou analýzou obrazu ukazuje, že údaje o sitku sa veľmi dobre porovnávajú s definíciou veľkosti "šírka častíc".

To je spôsobené skutočnosťou, že počas procesu sitovania sa zrná vyrovnávajú takým spôsobom, že prechádzajú sitom s ich najmenšou možnou projekčnou plochou. Sitová analýza má teda tendenciu určovať šírku častíc. Z týchto pozorovaní vyplýva, že porovnanie medzi sitovou analýzou a laserovou difrakciou možno len ťažko rozumne a spoľahlivo dosiahnuť u častíc nepravidelného tvaru, ako je kávový prášok.