Kaffee ist eines der weltweit wichtigsten Handelsgüter. Brasilien produziert und exportiert im internationalen Vergleich den meisten Kaffee, gefolgt von Vietnam, Kolumbien und Indonesien.
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Bohnen des Robusta-Kaffees

Bohnen des Arabica-Kaffees

Lebensmittel- und Getränkeanalytik

Coffee to analyze

Braunes Gold auf dem Prüfstand

Kaffee ist eines der wichtigsten Welthandelsgüter und des Deutschen Lieblingsgetränk noch dazu: Im Jahr 2013 trank jeder Bundesbürger im Schnitt 162 Liter. Es wundert wenig: Bei Kaffee wird großen Wert auf eine umfangreiche und gründliche Untersuchung und Qualitätskontrolle gelegt.

Von Dr. Norbert Helle, Franziska Chmelka,
Mariia Matkovskaia und Julia Suhoguzov,
TeLA GmbH

Die Menschheit lechzt nach Kaffee – eines der wichtigsten Welthandelsgüter überhaupt. Im Jahr 2013/2014 wurden laut internationaler Kaffeeorganisation (ICO) rund 147 Millionen Sack Kaffee (à 60 kg) produziert; 104 Mio. Sack davon gingen in den Export. Bei rund 41 Mio. Sack handelte es sich um die Sorte Robusta; in 64 Mio. Sack befanden sich Kaffeebohnen der Sorte Arabica. 31 Prozent der Exporte stammen aus Brasilien; zweitwichtigster Exporteur von Rohkaffee ist Vietnam, das mit Brasilien mehr als die Hälfte allen Rohkaffees in die Welt ausliefert. Auf Platz drei und vier der Kaffee exportierenden Länder rangieren Kolumbien und Indonesien.

Anders, als mancher es vermuten mag: In puncto Kaffeekonsum sind nicht die Südländer führend, sondern die Nordlichter Finnland mit 12,1 kg und Norwegen mit 9,1 kg pro Kopf. Mit 8,8 kg pro Kopf auf Platz drei liegt Österreich, die Schweiz (8,3 kg) rangiert auf Platz 5 vor Deutschland auf Platz 7 (7,1 kg). Man kann sagen, Kaffee ist des Deutschen Lieblingsgetränk: Im Jahr 2013 trank ein jeder Bundesbürger demnach 162 Liter Kaffee, Heilund Mineralwasser (144 L) und
Bier (107 L) [1].

Basis für Qualitätskaffee

Auch wenn die frische Kaffeekirsche sich auf den ersten Blick nicht von anderem Obst zu unterscheiden scheint, zieht der Verarbeitungs- und Röstprozess sowie ihre Verwendung zur Herstellung eines belebenden, aromatischen Genussmittels eine hinreichende Qualitätskontrolle verbunden mit einer umfangreichen Analytik nach sich. Der Aufwand, der hierbei betrieben wird, ist enorm und orientiert sich an allgemeingültigen Verordnungen und Gesetzen sowie den Vorgaben der Kaffeeverordnung. Demnach darf Röstkaffee zum Beispiel nicht mehr als 2 g Fremdbestandteile pro Kilogramm enthalten, nicht mehr als 50 g Wasser pro Kilogramm Kaffee, und entkoffeinierter Kaffee darf höchstens 1 g Koffein pro Kilogramm Kaffee beinhalten.

Neben den klassischen qualitätssichernden Verfahren wie die Erhebung des mikrobiologischen Status, die Bestimmung der Restfeuchte, die sensorische Beurteilung und Prüfung auf organische und anorganische Kontaminanten, sind einige spezielle chromatographische Verfahren für die Untersuchung von Kaffee erforderlich. Im folgenden werden die Schlüsselparameter für die Verkehrsfähigkeit von Kaffees und deren Analytik vorgestellt.

Koffeingehalt

Die belebende Wirkung von Kaffee ist vor allem dem darin enthaltenen Koffein zuzuschreiben. Dessen Bestimmung ist die wohl am häufigsten bei Kaffee durchgeführte Analytik. Insbesondere bei entkoffeinierten Kaffees hat der Hersteller darauf zu achten, die zulässige Höchstmenge von 0,1 Gewichtsprozent Koffein nicht zu überschreiten.

In der Regel, das heißt bei reinen Kaffees, ist die Bestimmung des Koffeins mit einer HPLC-UV-Methode ohne Probleme möglich. Ein entsprechendes Prüfverfahren wurde bereits genormt. Aufwendiger erweist sich die Umsetzung des Verfahrens auf Fertiggetränke mit einem hohen Anteil an Zucker und diversen anderen Zusätzen. Hier ist nicht nur der Koffeingehalt niedriger, auch weisen die Chromatogramme einen hohen Anteil an Störsignalen auf, die eine sichere Bestimmung verhindern können. In diesen Fällen empfiehlt sich eine simultane Bestimmung des Koffeins mittels massenspektrometrischer Detektion.

Simultane Bestimmung von Koffein mittels UV-Detektion (oben) und MS-Detektion (unten). (Säule Macherey-Nagel Nucleodur C18 Pyramid 250 x 2 mm 5 μm, UV 274 nm, Agilent Single Quad 6120, SIM m/z 195.1.)

Schimmelpilzgifte

Bei den Mycotoxinen ist vor allem das Ochratoxin A (OTA) kritisch zu bewerten [2]. Praktisch in jeder Probe finden sich Rückstände dieses Giftes, wobei sich die Gehalte in einem niedrigen Bereich, meist unterhalb einem Mikrogramm pro Kilogramm, bewegen. Umso mehr ist die zuverlässige und sensitive Bestimmung dieser Kontaminanten von Bedeutung, will man die Qualität einzelner Chargen beurteilen. Wir setzen zur Mycotoxinanalyse ein neues LC-MS/MS-Verfahren ein, das ohne teure Immunoaffinitäts-SPE-Probenvorbereitung auskommt und das dennoch die notwendige Sensitivität bietet. Zudem ist das Analyseverfahren vollständig auf einem GERSTEL-MPS-System automatisiert. Dieses System enthält unter anderem eine automatische SPE-Einheit und eine programmgesteuerte Einheit zur Einengung von Lösemitteln (GERSTEL-mVAP). Die Steuerung des Gesamtverfahrens erfolgt durch die unmittelbar mit der GC/MS- respektive LC/MS-Chromatographie-Software gekoppelte GERSTEL-MAESTRO-Software. Mit dieser Methode werden auch andere Mycotoxine wie Aflatoxine und Fumonisine erfasst.

Mycotoxin-Mix 5 ng/mL. (Säule Macherey-Nagel Nucleoshell RP 18 150 x 2 mm 2,7 μm, Agilent Triple Quad 6495.)

Pflanzenschutzmittel

Wahrscheinlich die weltweit am häufigsten durchgeführte Analytik an Lebensmitteln überhaupt ist die Prüfung auf Pflanzenschutzmittelrückstände. Eingesetzt wird häufig eine kombinierte HPLC- und GC-MS/MS-Analyse nach einfacher Aufarbeitung mittels dispersiver SPE nach Anastassiades et al. (QuEChERS) [3]. Der Vorzug dieser Methode ist die einfache Durchführung, die gegenüber älteren Verfahren eine deutliche Reduzierung der für die Probenvorbereitung benötigten Zeit gewährleistet. Dennoch sind einige Schritte wie Zentrifugationen durchzuführen, und komplexe Matrices, hierzu zählt auch gerösteter Kaffee, benötigen zudem spezielle Sorbensmischungen. Derzeit arbeitet die TeLA GmbH an einem Verfahren, das die Aufreinigung über Festphasen nach einem ersten Extraktionsschritt unter Einsatz eines GERSTEL-MultiPurpose-Samplers (MPS) voll automatisiert und online durchführt. Insgesamt aber ist die Belastung von Kaffee mit Pestiziden eher als wenig problematisch einzustufen, da im Zuge des Röstprozesses ein Großteil der Pflanzenschutzmittel thermisch abgebaut wird.

Pestizid-Mix 10 ng/mL. Säule Macherey-Nagel Nucleoshell PFP 150 x 3 mm 2,7 μm, Agilent Triple Quad 6495.

Acrylamid

Beim Erhitzen von Lebensmitteln auf Temperaturen oberhalb von 180 °C kann Acrylamid entstehen. Die Verbindung steht im Verdacht, krebserregend zu sein. Aus diesem Grund gelten in Europa Warnwerte für Lebensmittel, in denen im Zuge ihrer Herstellung Acrylamid entstehen kann, etwa in Brot, Gebäck und Kaffee; Warnwerte sollten nicht überschritten beziehungsweise möglichst deutlich unterschritten werden. Als Analysemethode bietet sich hier ebenfalls die HPLC-MS/MS an. Allerdings stellt gerade die Matrix in Verbindung mit der geringen molekularen Masse, die einen negativen Einfluss auf die MS-Response hat, beim Kaffee eine besondere Herausforderung dar. Gute Ergebnisse lassen sich in der Regel nur mittels eines Standard-Additionsverfahrens erzielen. Die Menge an gebildetem Acrylamid korreliert mit der Dauer und Temperatur der Röstung, die wiederum für das Aroma des Kaffees wichtig ist, was im Umkehrschluss bedeutet, dass man die Bildung von Acrylamid bei Kaffee in gewissem Umfang in Kauf zu nehmen hat. Kaffee ist regelmäßig auf Acrylamid zu untersuchen.

Acrylamid in Kaffee mit Standardaddition. Säule: Macherey-Nagel Nucleodur C18 Htec 250 x 2mm 5 μm, Agilent Triple Quad 6460, MRM 72.1 -> 44.1 und 72.1 -> 55.1.

Robusta oder Arabica – der kleine Unterschied macht den Preis

Die wirtschaftlich bedeutendsten Kaffeepflanzensorten sind Coffea arabica, kurz Arabica genannt, und Coffea canephora, besser bekannt als Robusta-Kaffee. Weltweit wird etwa dreimal mehr Arabica als Robusta angebaut. Für Laien ist der Unterschied zwischen beiden Kaffeesorten nicht per se ersichtlich, insbesondere nicht in gemahlenem Kaffee, obgleich sich die Kaffeebohnen, wie es die Kaffeezentrale auf ihrer Homepage beschreibt, in Größe und Form voneinander unterscheiden: „Robusta-Bohnen sind rundlicher und kleiner und haben einen fast geraden Einschnitt auf der flacheren Seite. Arabica-Bohnen dagegen sind insgesamt größer und flacher, die Form ist deutlich ovaler. Die Einkerbung auf der flachen Seite ist in sanfter S-Form geschwungen – je nach Herkunft mehr oder weniger deutlich.“ [4]

Arabica-Kaffee enthält etwa 1,1 bis 1,7 Prozent Koffein [4] und gilt im Allgemeinen als die aromatischere und wohlschmeckendere Kaffeesorte. Robusta-Kaffee hingegen enthält mehr Koffein (2 bis 4,5 %) und besitzt mehr Körper. Die Robusta-Kaffeepflanze ist zudem widerstandsfähiger im Anbau, nicht nur gegen Parasiten und Krankheiten, sondern auch gegenüber Temperatureinflüssen. Arabica-Kaffee wiederum erfordert besondere Anbaubedingungen; Schwankungen und ungünstige äußere Einflüsse können sich negativ auf den Ertrag auswirken. Arabica-Kaffee (im Handel meist mit dem Hinweis versehen: aus 100 Prozent Arabica-Bohnen) wird meist teurer angeboten als Kaffee mit Robusta-Anteil. Um mögliche Beimischung von Robusta-Bohnen in Arabica-Kaffee zu überprüfen, eignet sich die HPLC/MS-Bestimmung von 16-O-Methylcafestol im Röstkaffee. Diese Verbindung ist ausschließlich in Robusta-Kaffee enthalten.

Robusta und Arabica: Bestimmung von 16-O-Methylcafesterol. Säule: Macherey-Nagel Nucleodur PFP 250 x 2 mm 5 μm, Agilent Single Quad 6120, SIM m/z 353.2.

Produktivität steigern

Alles in allem erweist sich die Analyse von Kaffee auf die in diesem Beitrag genannten Parameter: Koffeingehalt, Mykotoxine, Pestizide, Acrylamid und Sortenreinheit in ihrer Komplexheit als zeit- und arbeitsaufwendig, sofern man von einer manuellen Vorgehensweise bei Probenvorbereitung und Analyse ausgeht. Allerdings lassen sich die hier beschriebenen Verfahren auch vollständig automatisiert durchführen, was sich nachhaltig auf die Effizienz der Analytik sowie deren Präzision und Wiederholbarkeit auswirkt. Das ist für ein Analysenlabor, das wie die TeLA seinen Schwerpunkt unter anderem in der Lebensmittelund Umweltanalytik hat, von entscheidender Bedeutung.

Quelle

[1] www.kaffeeverband.de/images/dkv_pdf/geschuetzt/Jahresbericht/2015/Kaffeemarkt_2014.pdf (03.01.2017)
[2] GERSTEL Aktuell 50 (2015) 22-25
[3] Anastassiades et al., Fast and easy multiresidue method employing acetonitrile extraction/partitioning and „dispersive solid-phase extraction“ for the determination of pesticide residues in produce, Journal of AOAC International 86 (2003) 412-431
[4] www.kaffeezentrale.de/wissen/kaffeeanbau/arabica-robusta (03.01.2017)

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