Espresso zuzubereiten ist mehr als heißes Wasser durch Kaffeepulver zu drücken. Es ist ein präziser chemisch-physikalischer Prozess, der direkt den Geschmack beeinflusst. Zwei zentrale Messwerte – TDS (Total Dissolved Solids) und Extraktionsrate – bestimmen, ob ein Espresso ausgewogen schmeckt oder zu sauer bzw. bitter ist.
Schlüsselinfos:
- TDS misst die Stärke des Espressos (8–12 % ideal).
- Extraktionsrate zeigt, wie viel Kaffee gelöst wurde (optimal: 18–22 %).
- Parameter wie Mahlgrad, Brühverhältnis, Druck und Temperatur steuern die Extraktion.
- Fehler wie Channeling (ungleichmäßiger Wasserfluss) führen zu unausgewogenem Geschmack.
Mit wissenschaftlicher Präzision können Baristas konstante Ergebnisse erzielen, indem sie Variablen wie Mahlgrad und Durchflussrate gezielt anpassen. Ein Refraktometer hilft, objektive Daten für perfekte Extraktionen zu sammeln.
Dissecting Espresso Extractions: TDS, EY & More
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Verständnis von TDS und Extraktionsausbeute
Total Dissolved Solids (TDS), also der Gehalt an gelösten Kaffeepartikeln im Espresso, wird in Prozent angegeben und zeigt an, wie viel der Flüssigkeit tatsächlich aus gelösten Kaffeebestandteilen besteht. Typischerweise liegt der TDS-Wert bei Espresso zwischen 8 % und 12 %, während Filterkaffee deutlich niedrigere Werte aufweist. Ein Ristretto kann sogar mehr als 12 % TDS erreichen, was ihn wesentlich konzentrierter erscheinen lässt. Diese Werte sind die Grundlage zur Berechnung des tatsächlichen Kaffeextrakts.
Die Extraktionsausbeute (Extraction Yield, EY) gibt an, wie viel Prozent der eingesetzten Kaffeemenge ins Wasser extrahiert wurden. Die Berechnung erfolgt mit der Formel: EY = (TDS (%) × Getränkemenge (g)) / eingesetzte Kaffeemenge (g). Dieser Wert ist entscheidend für den Geschmack: Liegt die Extraktionsausbeute unter 18 %, schmeckt der Espresso oft sauer und wässrig. Werte über 22 % hingegen können zu Bitterkeit und einer unangenehmen Adstringenz führen. Präzise Messungen sind daher essenziell, um den Extraktionsgrad gezielt zu steuern.
Um den Extraktionsgrad genau zu bestimmen, wird TDS mit einem digitalen Refraktometer gemessen. Dieses Gerät analysiert den Brechungsindex der Flüssigkeit und berechnet daraus die Konzentration. Hochwertige Modelle wie das VST Coffee Lab bieten eine Genauigkeit von 0,03 % TDS und kosten etwa 650 €, während Mittelklassegeräte von Atago mit einer Genauigkeit von 0,1 % TDS für rund 350 € erhältlich sind. Günstigere optische Brix-Refraktometer kosten etwa 20 €, erfordern jedoch mehr Erfahrung beim Ablesen.
„Das Finden eines guten Brührezepts ist wie das Navigieren durch einen dichten Wald bei Nacht – ein Refraktometer ist dabei so hilfreich wie ein Kompass.“ – Jonathan Gagné, Forscher
Bei der Messung ist es wichtig, die Probe vorher gründlich umzurühren, da sich Kaffeepartikel schnell absetzen. Für Espresso empfiehlt es sich, einen Spritzenfilter zu verwenden, um schwebende Feststoffe (Fines) zu entfernen, die das Ergebnis verfälschen könnten. Außerdem sollte die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt sein, bevor sie auf das Refraktometer aufgetragen wird, da TDS-Messungen temperaturempfindlich sind.
Forschung zur Extraktionsdynamik
Beim Espresso-Brühen fließt heißes Wasser unter Druck durch ein verdichtetes Kaffeebett. Dieser Prozess wird durch das Darcy'sche Gesetz beschrieben, das den Zusammenhang zwischen Wasserdruck und Durchflussrate durch den Kaffeepuck erklärt. Forscher der University of Huddersfield und der University of Oregon haben mathematische Modelle entwickelt, die zeigen, wie sich die Durchlässigkeit des Kaffeebetts während der Extraktion verändert. Dabei setzen sich feinere Partikel im Filter ab, was den Widerstand erhöht, die Verweilzeit des Wassers verlängert und zu einer ungleichmäßigen Extraktion führt.
Die Extraktion selbst folgt einem exponentiellen Abfallmuster: Die höchste Konzentration an löslichen Verbindungen wird in den ersten Momenten des Brühvorgangs extrahiert. Dabei lösen sich chemische Bestandteile unterschiedlich schnell. Trigonellin und TDS werden zuerst extrahiert, gefolgt von Chlorogensäure (5-CQA) und Koffein. Diese Erkenntnisse erklären, warum die ersten Sekunden entscheidend für das Geschmacksprofil des Espressos sind und bilden die Grundlage für weitere mathematische Analysen.
Mathematische Modelle der Extraktion
Mit Hilfe von SPH-Simulationen wird die mesoskopische Struktur des Kaffeebetts untersucht. Diese Modelle berücksichtigen eine bimodale Partikelverteilung: große Partikel (~450 µm) bilden die Hauptstruktur, während Feinpartikel (~30 µm) vom Wasserstrom mitgerissen werden können. Dieser Effekt erhöht den hydraulischen Widerstand und beeinflusst die Extraktion.
Aktuelle Studien setzen auf Partial Least Squares Regression (PLSR), um Extraktionszeit und -ausbeute vorherzusagen. Statt nur den Medianwert der Partikelgrößen zu betrachten, analysieren sie die gesamte Verteilung. Dabei zeigt sich, dass sogenannte Turbo-Espresso-Extraktionen – bei einer Dauer von 10–20 Sekunden – bereits eine Extraktionsausbeute von 17–18 % erreichen. Das entspricht über 80 % der maximal beobachteten Espresso-Ausbeute. Solche schnellen Extraktionen bewahren zudem flüchtige Aromastoffe, die bei längeren Brühzeiten verloren gehen können.
„Fast espresso extractions are very efficient, as extractions of < 10 s and 15 s yielded 17–18% extraction, which is > 80% of maximum espresso extraction yield observed here." – Nature Scientific Reports
Einfluss des Mahlgrades auf die Extraktion
Theoretische Modelle heben die Bedeutung des Mahlgrades hervor, da er die Verteilung der Partikel und somit den Wasserfluss beeinflusst. Der Mahlgrad bestimmt die Oberfläche, die mit Wasser in Kontakt kommt, und damit die Extraktionsgeschwindigkeit. Besonders der Anteil an Feinpartikeln (unter 100 µm) hat einen großen Einfluss auf die Dynamik der Extraktion. Eine Erhöhung des Feinanteils von 10 % auf 15 % kann die Extraktionszeit um etwa 10 Sekunden verlängern.
„The share of fines plays a key role in the espresso extraction flow rate. An increase of share of fines decreases coffee bed permeability, leads to reduced flow rates and longer extraction times." – André Eiermann et al.
Ein zu feiner Mahlgrad führt jedoch oft zu Channeling: Das Wasser sucht sich bevorzugt wenige Kanäle, wodurch diese überextrahiert werden, während andere Bereiche unterextrahiert bleiben. Das Ergebnis ist ein unausgewogener Geschmack mit Bitterkeit und Säure. Gröbere Mahlgrade mit optimierten Durchflussraten können hier Abhilfe schaffen und sorgen für gleichmäßigere und reproduzierbarere Ergebnisse. Zudem spielt das korrekte Tampen des Kaffeepucks eine entscheidende Rolle. Der Puck sollte parallel zum Siebträger gedrückt werden, um eine gleichmäßige Struktur und einen stabilen hydraulischen Widerstand zu gewährleisten.
Parameter für optimalen Espresso
Die Definition eines perfekten Espressos basiert auf den Erkenntnissen zu TDS (Total Dissolved Solids) und der Extraktionsrate. Diese Parameter spielen eine entscheidende Rolle für das Endergebnis.
Temperatur, Druck und Durchflussrate
Die Wassertemperatur beeinflusst maßgeblich die Löslichkeit der Kaffeebestandteile sowie die Viskosität des Wassers. Empfohlen wird eine Temperatur von 90 ± 5 °C. Studien zeigen, dass Temperaturunterschiede zwischen 80 °C und 98 °C nur einen geringen Einfluss auf nicht-flüchtige Bestandteile wie Trigonellin, Koffein und Chlorogensäure haben – im Vergleich zu der stärkeren Wirkung der Durchflussrate. Allerdings verstärken höhere Temperaturen Bitterkeit und Röstaromen, während niedrigere Temperaturen die Säure hervorheben.
Der Druck beim Brühen eines Espressos liegt üblicherweise bei 9 ± 2 bar. Untersuchungen belegen, dass die Menge der extrahierten Bestandteile abnimmt, wenn der Druck von 7 auf 11 bar erhöht wird. Der Druck beeinflusst vor allem die Durchflussrate, welche wiederum der entscheidende Faktor für die Extraktion ist.
Die Durchflussrate hat den größten Einfluss auf die Extraktion. Eine langsamere Durchflussrate (etwa 1,0 ml/s) verlängert die Kontaktzeit zwischen Wasser und Kaffee, was zu höheren Anfangskonzentrationen führt. Schnellere Durchflussraten (2,0–3,0 ml/s) bewahren hingegen fruchtige Aromen, da flüchtige Verbindungen weniger Zeit zum Verdampfen haben. Bei der Einstellung des Espressos sollten Baristas den Mahlgrad und das Brühverhältnis in den Fokus rücken, da diese Faktoren einen größeren Einfluss auf die gelösten Feststoffe haben als die Wassertemperatur. Diese Parameter wirken sich nicht nur auf die chemische Extraktion aus, sondern machen auch eine sorgfältige Puck-Vorbereitung unerlässlich.
Channeling und ungleichmäßige Extraktion verhindern
Channeling tritt auf, wenn das Wasser durch den Kaffeepuck ungleichmäßig fließt und bevorzugt den Weg des geringsten Widerstands nimmt. Dies führt dazu, dass einige Bereiche überextrahiert werden (bitter und trocken), während andere unterextrahiert bleiben (schwach und sauer). Die Hauptursache liegt in einer ungleichmäßigen Puck-Struktur, wie es bereits bei der Diskussion um die Partikelgröße deutlich wurde.
Die Puck-Vorbereitung ist entscheidend, um Channeling zu vermeiden. Spezielle Verteilungswerkzeuge sorgen dafür, dass das Kaffeemehl gleichmäßig verteilt wird, bevor es mit einem konstanten Druck von etwa 20–25 kg getampt wird. Einheitliches Tampen gewährleistet eine gleichmäßige Dichte des Pucks. Ein gröberer Mahlgrad kann ebenfalls helfen, den Durchflusswiderstand zu reduzieren und das Risiko von Kanalbildung zu minimieren. Wenn ein Espresso gleichzeitig bitter und schwach schmeckt, ist das oft ein Hinweis auf eine Kombination aus Über- und Unterextraktion, die durch Channeling verursacht wird.
Wissenschaft in die Barista-Praxis umsetzen
Espresso-Extraktion Parameter: Optimal vs. Suboptimal im Vergleich
Die vorgestellten Modelle und Messmethoden liefern wertvolle Hinweise, wie sich wissenschaftliche Erkenntnisse in der Barista-Praxis anwenden lassen. Eine zentrale Erkenntnis: Die Durchflussrate hat einen weit größeren Einfluss auf die Espressoqualität als Temperatur oder Mahlgrad.
Interessant ist, dass sogenannte Turbo Shots (10–15 Sekunden Extraktionszeit) bereits eine Extraktionsrate von 17–18 % erreichen und dabei fruchtige, flüchtige Aromen besser bewahren können.
"The most efficient way to increase total dissolved solids in the brew is to use more coffee for extraction, and/or to grind the coffee more finely." – André Eiermann, Coffee Researcher
Ein weiterer wichtiger Faktor ist das Brühverhältnis, das die Konzentration der gelösten Stoffe (TDS) im Espresso direkt beeinflusst. Schmeckt ein Espresso zu „wässrig“, sollte das Brühverhältnis angepasst werden – beispielsweise von 1:3 auf 1:2 – statt einfach die Kaffeemenge zu erhöhen. Denn die Stärke eines Espressos wird nicht allein durch die Dosis bestimmt, sondern durch das Verhältnis von Kaffee zu Wasser.
Optimale vs. suboptimale Parameter
| Parameter | Suboptimal (zu grob) | Suboptimal (zu fein) | Optimal (wissenschaftlich) |
|---|---|---|---|
| Mahlgrad | Große Partikel; geringe Oberfläche | Zu viele Fines; geringe Durchlässigkeit | Bimodale Verteilung; ausgewogener Fluss |
| Extraktionszeit | Sehr schnell (<20 s traditionell) | Sehr langsam (>40 s) oder unregelmäßig | 25–30 s (traditionell) oder 10–15 s (Turbo) |
| Geschmacksprofil | Schwach, sauer, gedämpfte Süße | Bitter, trocken, dunkel und kompakt (Channeling) | Ausgewogene Säure, Süße und Körper |
| Extraktionsrate | Niedrig (unterextrahiert) | Ungleichmäßig (überextrahiert in Kanälen) | 18–22 % (gleichmäßig extrahiert) |
| Tamperdruck | Ungleichmäßig; führt zu Bypass | Zu fest; fördert Channeling | Konstant (ca. 20–25 kg) |
Ein dunkler, kompakter Espresso ohne Tiefe und Süße deutet oft auf Channeling hin – eine Mischung aus Über- und Unterextraktion. In solchen Fällen hilft es, den Mahlgrad gröber einzustellen, um den Widerstand im Kaffeebett zu verringern. Umgekehrt kann ein zu grober Mahlgrad, der zu einem schwachen, sauren Geschmack führt, ein Hinweis darauf sein, dass feiner gemahlen werden sollte, damit das Wasser besser in die Kaffeepartikel eindringen kann.
Diese Parameter dienen als Grundlage, um die Espressozubereitung kontinuierlich zu verfeinern und an individuelle Geschmackspräferenzen anzupassen.
Fazit
Wie bereits in den vorherigen Abschnitten erläutert, basiert gleichbleibend hohe Qualität auf klar messbaren Parametern. Wer die Zusammenhänge von TDS (Total Dissolved Solids) und Extraktionsrate versteht, kann gezielt die Aromen eines Espressos steuern. Diese Erkenntnisse bauen direkt auf die detaillierten Analysen der vorherigen Abschnitte auf.
Ein besonders entscheidender Faktor ist die Durchflussrate, die mehr Einfluss auf die extrahierten Bestandteile hat als Temperatur oder kleine Änderungen am Mahlgrad. Wenn der Espresso wässrig schmeckt, sollte man nicht einfach die Kaffeemenge erhöhen. Stattdessen ist es sinnvoll, das Brühverhältnis zu optimieren, da die Stärke eines Espressos durch das Verhältnis von Kaffee zu Wasser definiert wird. Um die Konzentration der gelösten Stoffe zu steigern, bieten sich entweder eine größere Kaffeemenge oder ein feinerer Mahlgrad an.
Auch bei der Fehleranalyse liefert die Wissenschaft wertvolle Unterstützung: Beim sogenannten Channeling – wenn das Wasser ungleichmäßig durch das Kaffeebett fließt – kommt es gleichzeitig zu Über- und Unterextraktion. Hier kann ein Refraktometer helfen, objektiv zu beurteilen, ob der Mahlgrad angepasst werden sollte. Diese präzise Herangehensweise gibt Baristas die Möglichkeit, ihre Technik kontinuierlich zu verfeinern.
Dank wissenschaftlicher Erkenntnisse wird die Espressozubereitung von einem subjektiven Handwerk zu einem reproduzierbaren Prozess. Wer die Wechselwirkungen zwischen Mahlgrad, Durchflussrate und Extraktion versteht, kann gezielt experimentieren und seine Ergebnisse immer wieder mit derselben Qualität in die Tasse bringen.
FAQs
Wie wirkt sich der Mahlgrad auf den Geschmack von Espresso aus?
Der Mahlgrad hat einen enormen Einfluss auf den Geschmack Ihres Espressos, da er sowohl die Größe der Kaffeepartikel als auch den Wasserfluss durch das Kaffeebett bestimmt. Feiner Mahlgrad sorgt dafür, dass das Wasser eine größere Kontaktfläche hat, was die Extraktion intensiviert. Das Ergebnis? Oft kräftigere Aromen, die manchmal eine ausgeprägte Säure aufweisen. Grob gemahlener Kaffee hingegen lässt das Wasser langsamer extrahieren, was zu einem milderen Geschmack führen kann – allerdings mit der Gefahr, leicht bittere Noten hervorzubringen.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Anteil an feinen Partikeln, den sogenannten „Fines“. Zu viele Fines können den Wasserfluss behindern und zu einer ungleichmäßigen Extraktion führen, was den Geschmack negativ beeinflusst. Um das Beste aus Ihrem Espresso herauszuholen, sollten Mahlgrad, Durchflussrate (idealerweise etwa 1–1,5 ml/s) und Brühtemperatur perfekt aufeinander abgestimmt sein.
Bei Kiez Kaffee Kraft wird der Mahlgrad präzise auf jede Röstung abgestimmt, um das gewünschte Geschmacksprofil zu erreichen – von hell und fruchtig bis hin zu vollmundig und schokoladig. Mit der richtigen Einstellung können Sie auch zu Hause einen Espresso zubereiten, der genau auf Ihre persönlichen Vorlieben zugeschnitten ist.
Warum ist die Durchflussrate beim Espresso-Brühen wichtiger als die Temperatur?
Die Durchflussrate bestimmt direkt, wie viel Wasser pro Sekunde durch das Kaffeebett fließt. Sie beeinflusst sowohl die Extraktionszeit als auch den Anteil der gelösten Stoffe im Espresso, also TDS (Total Dissolved Solids) und die Extraktionsrate. Eine präzise Steuerung der Durchflussrate ist entscheidend, um ein harmonisches Geschmacksprofil zu erreichen und sowohl Über- als auch Unterextraktion zu vermeiden.
Zwar spielt auch die Temperatur eine Rolle, doch im üblichen Espresso-Bereich zwischen 90 °C und 96 °C hat sie einen vergleichsweise geringeren Einfluss auf die Extraktion. Für optimale Aromen ist eine gleichmäßige Durchflussrate der Schlüssel.
Wie kann ich Channeling beim Espresso-Brühen vermeiden?
Um Channeling zu vermeiden, sollten Sie darauf achten, dass das Kaffeemehl im Siebträger gleichmäßig verteilt ist. Der richtige Mahlgrad spielt dabei eine entscheidende Rolle – er darf weder zu fein noch zu grob sein. Beim Andrücken des Kaffeemehls empfiehlt sich ein gleichmäßiger Tampdruck von etwa 15–20 kg. Dadurch fließt das Wasser gleichmäßig durch das Kaffeebett, was eine harmonische Extraktion gewährleistet.
Ein kleiner Tipp: Klopfen oder rütteln Sie den Siebträger vor dem Andrücken sanft. So können Sie die Oberfläche des Kaffeemehls glätten und Lufteinschlüsse vermeiden. Mit ein wenig Übung und Geduld lässt sich die Qualität Ihres Espressos spürbar steigern.