Untersuchungen zur Aromaentwicklung bei der Kakaoröstung unter besonderer Berücksichtigung der Steuerung des Temperaturzeitprofils

Das Projekt wurde von Oktober 2011 bis September 2013 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik und der Deutschen Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie (DFA) in Freising durchgeführt.

Bei der Schokoladenherstellung ist der Röstprozess ein entscheidender Verfahrensschritt, der das Aromaprofil und die Qualität fertiger Schokolade prägt. Die Möglichkeit, über die Röstung Einfluss auf das Aromaprofil zu nehmen, hängt jedoch sehrl vom Erfahrungswissen der Unternehmen ab. Eine gezielte Aromagestaltung im Röstprozess auf der Basis wissenschaftlicher Erkenntnisse wurde bislang nicht beschrieben. Ziel des Projektes war es, zu erforschen, welchen Einfluss die Temperatur-Zeit-Profile bei der Kakaoröstung auf das sensorisch wahrnehmbare Aromaprofil des Röstkakaos und die dafür verantwortlichen Schlüsselverbindungen sowie die Gesamtheit der flüchtigen Verbindungen haben. Gleichzeitig sollte die Energieeffizienz des Röstprozesses zur Beurteilung des Verfahrens herangezogen werden. Als Einflussfaktoren wurden unterschiedliche Aufheizraten, Gesamtprozesszeiten sowie Produktendtemperaturen untersucht. Diese wurden mit konvektiver Lufterwärmung und/oder durch den Einsatz von Mikrowellen erreicht.
In Zusammenarbeit mit dem PbA wurden als Kakaosorten ein Edelkakao aus Ecuador (Nacional) sowie ein Konsumkakao von der Elfenbeinküste jeweils einer Charge als Ausgangsprodukte festgelegt. In ungerösteter Form weisen beide Sorten ähnliche Farbwerte und Wassergehalte auf. Die zu Nibs verarbeitete Fraktion hat aufgrund der dafür erforderlichen thermischen Behandlung einen geringeren Wassergehalt als die jeweilige Bohnenfraktion. Da genaue Daten für die Kakaoröstung der Geheimhaltung der einzelnen Hersteller unterliegen, wurde auf Basis von Daten der Zentralfachschule der Deutschen Süßwarenwirtschaft e.V. ein repräsentatives Temperatur-Zeit-Profil einer Standardröstung definiert. Dieses wurde erfolgreich auf den modularen Röstprozessor übertragen.
In Zusammenarbeit mit dem PbA wurden relevante Prozessparamter (Kakaoendtemperatur, Aufheizrampe, Röstdauer) festgelegt und deren Einfluss auf das Röstergebnis sowie die Veränderungen im Prozessverlauf untersucht. Die Charakterisierung von Endprodukten sowie von Zwischenstufen bei der Röstung zeigte, dass die Veränderung des Wassergehalts aussagekräftigere Daten für die Bewertung des Röstprozesses als die Farbveränderung liefert. Insgesamt hatte die Kakaoendtemperatur den größten Einfluss auf den Endwassergehalt. Dies trat bei der Bohnenröstung stärker auf als bei der Nibsröstung. Zusätzlich wurden mikrowellenunterstützte Röstversuche durchgeführt. Dabei konnte bereits mit geringem Mikrowellenleistungseintrag ein mit Standardröstbedingungen vergleichbares Ergebnis hinsichtlich Wassergehalt und Farbdifferenz erzielt werden. Es wurde festgestellt, dass die Bohnen bei Mikrowellenenergieeintrag schneller und homogener erwärmt werden als bei rein konvektivem Energieeintrag. Eine Effizienzbetrachtung der unterschiedlichen Röstprozesse ergab, dass eine mikrowellenunterstützte Röstung deutlich energie- und zeiteffizienter durchgeführt werden kann als die Standardröstung.
Zur objektiven Untersuchung der Aromaentwicklung bei den unterschiedlichen Kakao- und Röstvarianten wurden ausgewählte Schlüsselaromastoffe (Essigsäure, 3- und 2-Methylbutanal, Phenylacetaldehyd,
2-Phenylethanol, 2-Phenylethylacetat und Linalool) über  Stabilisotopenverdünnungsasssays quantifiziert. Die Streckeraldehyde 3- und 2-Methylbutanal, Phenylacetaldehyd wurden zusätzlich nach Freisetzung aus ihren wasserlabilen Prekursoren quantifiziert. Mit zunehmender Röstendtemperatur stiegen sowohl die Konzentrationen der freien Streckeraldehyde als auch der Gesamt-Streckeraldehyde an, wobei letztere immer etwa 5-fach höher lagen. Dies setzte sich z. T. bis zur Maximaltemperatur von 140 °C fort, z. T. wurde bei der Standardrösttemperatur von 125 °C ein Maximum durchlaufen. Ähnliche Effekte, jedoch in geringerem Maße zeigten sich bei 2-Phenylethanol sowie z. T. bei 2-Phenylethylacetat. Der Einfluss der Endtemperatur auf Essigsäure und Linalool war gering. Aufheizrate, Haltezeit und Mikrowelleneintrag zeigten generell geringe Auswirkungen auf die Konzentrationen aller untersuchten Aromastoffe.
Anhand der aromaanalytischen Daten sowie den Produktparametern Wassergehalt und Farbwert war es leider nicht möglich, ein umfassendes Modell zur Beschreibung der Aromaausbildung zu erstellen, welches auf Bildungskinetiken der Schlüsselkomponenten in Zusammenhang mit den Prozessbedingungen beruht. Dennoch kann zusammenfassend festgehalten werden, dass das Erreichen einer bestimmten Temperatur in den jeweiligen Phasen (90 °C/ 125 °C) der dominierende Faktor zur Ausbildung bestimmter Aromakomponenten ist. Heizraten und Haltezeiten spielten in dem hier untersuchten Bereich nur eine untergeordnete Rolle. Selbst ein direktes schnelles Aufheizen auf Bohnenendtemperatur mit Mikrowellenenergie führte im Rahmen dieser Untersuchungen nicht zu signifikanten Qualitätseinbußen. Der mikrowellengestütze Prozess war um 30 % kürzer und konnte je nach Ausgangsmaterial mit einem um bis zu 45% geringeren Energieverbrauch durchgeführt werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.

Summary des Projektes