Dieser Artikel basiert auf Forschungsergebnissen und einer Präsentation von Stéphane Ribes vom Mai 2019.
1. Einleitung
Eine ideale Preinfusion beinhaltet die schnelle und gleichmäßige Benetzung des gemahlenen Kaffeepulvers, um vor der eigentlichen Extraktion eine gleichmäßige Verdichtung des Kaffeepucks, thermische Homogenität und eine gleichmäßige Durchflussgeschwindigkeit zu gewährleisten. Herkömmliche Methoden der einseitigen Wasserzufuhr erreichen diese Gleichmäßigkeit oft nicht. Unter Verwendung der Decent Espresso (DE1)-Plattform untersucht diese Studie von Stéphane Ribes (Mai 2019), wie sich Veränderungen der Durchflussraten der Preinfusion (0,5 ml/s bis 8,0 ml/s), druckbasierte Schwellenwerte für den Übergang zur Extraktion und Preinfusionen mit mehreren Stufen auf das physikalische Verhalten des Kaffeepucks, die Extraktionsdynamik und das Verhältnis der Puck-Kontaktzeit (PCT) auswirken.
2. Zusammenfassung
Was ist eine Preinfusion?
Eine perfekte Preinfusion besteht in einer sofortigen und gleichmäßigen Benetzung des Kaffeepulvers. Das Ergebnis ist ein vollständig benetzter Puck mit gleichmäßiger Temperatur und Kompression.
1. Gleichmäßigkeit der Puckdichte nach der Preinfusion
2. Homogenität der Puck-Kontaktzeit mit dem Wasser und der Pucktemperatur
3. Glätte der Kaffeepuckoberfläche nach der Espressozubereitung
Was hier vorgestellt wird, ist eine Mischung aus grundlegenden Beobachtungsergebnissen und Hypothesen, die auf erwarteten physikalischen Phänomenen basieren.
Mit der Decent Espressomaschine lässt sich die Preinfusion leicht anpassen und perfektionieren.
3. Gestellte Fragen
Wie beeinflusst die Durchflussrate während der Preinfusion die Gleichmäßigkeit der Puckdichte nach der Preinfusion sowie den gesamten Extraktionsströmungswiderstand?
Welche physikalischen Parameter bestimmen die Homogenität der Kontaktzeit und der Temperatur zwischen der oberen und unteren Schicht des Kaffeebetts?
Was verursacht die Kraterbildung an der Oberfläche nach der Extraktion, und wie können Preinfusionsparameter diese mindern?
Wie kann eine mehrstufige Preinfusion mit variablem Durchfluss die Konsistenz der Gesamtextraktion optimieren?
Wie wird das Verhältnis der Puck-Kontaktzeit (PCT) definiert, berechnet und mathematisch ausbalanciert?
4. Methode
Geräte, Brühsiebe, etc.: Die Tests wurden mit einer Decent Espresso DE1PRO v1.1-Maschine und einem 18-g-Brühsieb durchgeführt, das mit einer Kaffeedosis von 20 g befüllt war (mit einem verdichteten Volumen von 30 cm³ und einem Wasserbedarf von 40 ml für eine vollständige Preinfusion).
Bewertete Durchflusskategorien:
Sehr geringer Durchfluss: 0,5–1,5 ml/s.
Niedriger bis mittlerer Durchfluss: 1,5–3,0 ml/s.
Mittlerer bis hoher Durchfluss: 3,0–5,0 ml/s.
Hoher Durchfluss: 5,0–8,0 ml/s.
Modellierung der Kontaktzeit mit dem Kaffeepuck (PCT): Das Restvolumen des Brühwassers wurde mit ca. 1 ml pro 1 g Trockenkaffeedosis definiert. Die Kontaktzeiten oben und unten wurden über Brühverhältnisse von 1:1 (20 g Ausbeute) bis 1:3 (60 g Ausbeute) bewertet.
5. Vorgehensweise
1. Dichte- und Widerstandsprüfung: Es wurden konstante Durchflussraten der Preinfusion bei festgelegten Mahlgrößen und Extraktionsdrücken (9 bar) getestet, um die relative Kompression des Kaffeepucks und die Extraktionsdurchflussraten zu messen.
2. Temperatur- und Konzentrationprofil: Es wurden Temperaturverlustgradienten von der oberen zur unteren Schicht des Kaffeepulvers während der Phasen der Preinfusion und des Extrahierens modelliert, wobei die durchschnittlichen Temperaturunterschiede bei Brühverhältnissen von 1:1, 1:2 und 1:3 verfolgt wurden.
3. Beobachtung von Oberflächenbeschädigungen: Die Oberflächen der Kaffeepucks nach der Zubereitung wurden auf Kraterbildung bei variierenden Durchflussraten der Preinfusion (<1,0 ml/s bis \>5,0 ml/s) und unterschiedlichen Druckanstiegsgeschwindigkeiten nach der Preinfusion untersucht.
4. Mehrstufige Profiloptimierung: Entwicklung einer zweistufigen Preinfusion mit variablem Durchfluss (mittlerer bis hoher Anfangsdurchfluss, der bei Erreichen eines Schwellenwerts von 1,0 bar in einen niedrigen Durchfluss übergeht), um eine schnelle Sättigung mit einer geringen Kompression des Kaffeepucks in Einklang zu bringen.
5. Anwendung der PCT-Verhältnisformel: Berechnung des Verhältnisses der überschüssigen Kontaktzeit des oberen Mahlguts („Excess Contact Time of Top grinds“, ECTT = Preinfusionszeit) zur überschüssigen Kontaktzeit des unteren Mahlguts („Excess Contact Time of Bottom grinds“, ECTB = Restwasser-Durchlaufzeit):
Angestrebtes Gleichgewichtsverhältnis = 1,0.
6. Alle Experimente
6.1. Gleichmäßige Dichte des Kaffeepucks
Bei einer Preinfusion mit schnellem Druckanstieg werden die unteren Schichten des Kaffeepucks stärker verdichtet.
Die Dichte des Kaffeepucks ist bei einer langsamen Preinfusion homogener.
Dies erklärt, warum bei gleicher Mahlgröße, Dosis und Extraktionsdruck (z. B. 9 bar) höhere Durchflussraten während der Preinfusion zu niedrigeren Durchflussraten während der Extraktion führen (bei längerer Preinfusion ist eine feinere Mahlung erforderlich, um einen ähnlichen Durchfluss während der Extraktion zu erzielen).
Höhere Puckdichte → weniger verfügbarer Raum um die Kaffeepartikel herum
Bei einer schnellen Preinfusion ist die Fließgeschwindigkeit um das Kaffeemehl am Boden des Pucks herum höher. Die daraus resultierende kürzere Kontaktzeit lässt auf eine geringere Extraktion des Kaffeemehls vom Boden des Pucks schließen. Dies könnte ebenfalls dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von unkontrollierten Spritzern zu erhöhen, die manchmal am Auslass des Brühsiebs zu beobachten sind, insbesondere in Kombination mit hohen Extraktionsdurchflussraten.
1. Bei gleicher Mahlgröße und angestrebter Durchflussrate für die Extraktionsphase führt eine Verringerung der Preinfusionsdurchflussrate zu einer geringeren Kompression des Kaffeesatzes, was sich direkt auf den während der Extraktion erreichten Höchstdruck (Durchflussprofil) auswirkt.
2. Kanalbildung kann auftreten, wenn eine hohe Preinfusionsdurchflussrate mit einem steilen Druckanstieg kombiniert wird.
6.2. Gleichmäßige Kontaktzeit und Temperatur
Bei der Decent Espressomaschine sind für eine Kaffeedosis von 20 g ca. 40 ml Wasser erforderlich, um eine vollständige Preinfusion durchzuführen (Maschine DE1 PRO v1.1 – 20 g Kaffee in einem 18-g-Brühsieb).
Bei einer Preinfusion von 1 ml/s sind, sobald das Kaffeemehl am Boden des Brühsiebs feucht wird, die Körner an der Oberseite des Pucks bereits seit 40 Sekunden in heißem Wasser eingeweicht!
Diese zusätzliche Kontaktzeit der oberen Kaffeepartikel wird am Ende der Extraktion teilweise (oder sogar vollständig) ausgeglichen, wenn die letzte Menge des aufgebrühten Kaffees aus dem Brühsieb ausläuft. Diese Menge entspricht dem Volumen der Restflüssigkeit im Kaffeepuck in den letzten Phasen der Extraktion.
Das ideale Gleichgewicht (gleiche Kontaktzeit für Kaffeepartikel oben wie unten im Puck) wird erreicht, wenn die Zeit zum Auslaufen des Restbrühwassers der Preinfusion entspricht.
Dies lässt sich durch eine geeignete Wahl der Durchflussraten für die Preinfusion und für den (letzten Schritt der) Extraktionsphase erreichen.
Das Volumen einer 20-g-Kaffeedosis (trockenes Kaffeemehl), das durch Tampen in ein 58-mm-Brühsieb gelangt, beträgt etwa 30 cm³.
Etwa 20 ml Wasser reichen aus, um diese Menge an Kaffeemehl zu durchtränken.
Nehmen wir ein typisches Brühverhältnis von 1:2 an, um 40 ml Kaffee in der Tasse zu erhalten.
In diesem Beispiel mit dem gewählten Brühverhältnis von 1:2 drückt das „Extraktionswasser“ lediglich das Wasser der Preinfusion durch den Kaffeepuck nach unten; es wird nicht tatsächlich als Brühwasser verwendet (gilt auch für niedrigere Brühverhältnisse).
Unter der Annahme einer Extraktionsphase mit konstantem Durchfluss und unserer Kaffeedosis von 20 g ergibt sich folgende Kontaktzeit des Kaffeemehls mit dem Wasser:
Oberkante des Kaffeepucks -> Preinfusion + Extraktionszeit – Zeit zum Einfüllen der letzten 20 ml (1)
Unterseite des Kaffeepucks -> Gießzeit (sobald die Preinfusion abgeschlossen ist)
In diesem Beispiel (DE1 v1.1 & 20 g Kaffee in einem 18-g-Brühsieb) sollte bei konstanter Durchflussrate während der Extraktion die Preinfusion etwa doppelt so kurz sein wie die Extraktionsphase, um eine gleichmäßige Gesamtkontaktzeit für das gesamte Kaffeemehl zu erzielen.
Zusätzlich zu den Unterschieden in der Kontaktzeit entlang der Höhe des Pucks variiert die Brüh-Temperatur innerhalb des Kaffeepucks erheblich. Als Einflussparameter wurden folgende Faktoren identifiziert:
Höhere Brühverhältnisse wirken sich positiv aus, da sie dieses Phänomen abschwächen.
Eine längere Preinfusion und Extraktion erhöhen die Wärmeverluste und senken die tatsächliche Brüh-Temperatur (was sich somit nachteilig auf die Temperaturgleichmäßigkeit auswirkt).
Außerdem wird die Flüssigkeit im Laufe der Kaffeeextraktion immer konzentrierter an extrahierten Inhaltsstoffen, wodurch sie für die weitere Extraktion weniger geeignet ist als reines Wasser. Die Folge ist wiederum eine geringere Extraktion des Kaffeemehls vom Boden des Pucks.
Was Temperaturunterschiede betrifft, so tritt dieser Effekt bei steigendem Brühverhältnis weniger deutlich zutage.
Unklarer Einfluss (falls vorhanden) der Preinfusion- und Extraktionsdurchflussraten auf dieses Phänomen.
Durch eine Erhöhung des Verhältnisses von Kaffee zu Wasser von 1:1 auf 1:3 halbiert sich der Temperaturunterschied zwischen dem oberen und unteren Mahlgut.
Da die Extraktionseffizienz jedoch mit der Zeit abnimmt, sind die tatsächlichen Vorteile in der Tasse vermutlich geringer als die, die sich aus diesen durchschnittlichen Unterschiedswerten ableiten lassen.
6.3. Ebenmäßige Oberfläche des Kaffeepucks nach der Preinfusion
Nach Abschluss der Extraktion lassen sich manchmal Vertiefungen auf der Oberfläche des Kaffeepucks beobachten.
Die genaue Ursache für diese Vertiefungen ist nicht vollständig geklärt, doch der Versuch, sie zu vermeiden, erscheint als sinnvolles Ziel, da sie darauf hindeuten, dass es während der Extraktion wahrscheinlich zu einer Kanalisierung gekommen ist.
Was die Entstehung von Vertiefungen betrifft, so ist der allerste Moment der Phase der Preinfusion wahrscheinlich einer der kritischsten Zeitpunkte: Es ist anzunehmen, dass Wassertropfen, die wiederholt auf dieselbe Stelle an der Oberseite des Kaffeepucks treffen, diese Art von Unebenheiten an der Oberfläche verursachen könnten.
Um das Risiko der Kraterbildung zu Beginn der Preinfusion zu verringern, empfiehlt es sich, zu hohe oder zu niedrige Durchflussraten während der Preinfusion zu vermeiden:
Bei hohen Durchflussraten (> 5 ml/s) trifft das Wasser offensichtlich mit größerer Energie auf die Oberfläche.
Bei sehr niedrigen Durchflussraten (< 1 ml/s) kann die Wasserverteilung über dem Puck suboptimal sein.
Eine moderate Geschwindigkeit des Druckanstiegs nach der Preinfusion hat sich ebenfalls als wirksam erwiesen, um das Auftreten von Kratern zu verringern.
Andere Maßnahmen, die nicht mit der Durchflussrate der Preinfusion zusammenhängen (z. B. Vorbereitung des Pucks, Freiraum, Sauberkeit und Art des Duschsiebs), um Puckkrater und Kanalisierung im Allgemeinen zu vermeiden, wurden nicht analysiert.
Espresso-Preinfusion: So erzielen Sie ein besseres Ergebnis
Mit der Decent Espressomaschine lässt sich der Preinfusionsvorgang ganz einfach anpassen, um die Vorteile der jeweiligen Durchflussraten optimal zu nutzen und die gesamte Preinfusionsleistung zu verbessern.
Mit der Decent Espressomaschine lässt sich – zusätzlich zur Möglichkeit, einen beliebigen Durchflusswert für die Preinfusion auszuwählen – durch einen zweistufigen Ansatz die Konsistenz des Prozesses weiter verbessern: zunächst ein mittelhoher Durchfluss, gefolgt von einer Phase mit niedrigerem Durchfluss.
Ein mäßig hoher Durchfluss zu Beginn der Preinfusion verkürzt die Gesamtdauer der Preinfusion und verbessert somit die Homogenität der Puck-Kontaktzeit (vermeidet ein zu hohes PCT-Verhältnis).
Eine niedrige Durchflussrate im zweiten Schritt der Preinfusion begrenzt die Kompression des Pucks und verhindert einen zu steilen Druckanstieg nach Abschluss der Preinfusion.
Der Wechsel zwischen den beiden Preinfusionsschritten lässt sich leicht durch einen Druckschwellenwert (typischerweise bei etwa 1 bar) auslösen.
Wenn eine möglichst gleichmäßige Preinfusion das Ziel ist (und damit eine möglichst gleichmäßige Gesamtextraktion), ist es auch möglich, alle Preinfusions- und Extraktionsparameter (Durchflussraten, Schwellenwerte) unter Berücksichtigung der vorgeschlagenen Tabelle anzupassen (siehe Tabelle „Empfohlene Einstellungen zur Erzielung einer gleichmäßigen Puck-Kontaktzeit und Temperatur“).
Die Auswirkungen anderer Parameter (z. B. Dosierung, Puck-Vorbereitung, Freiraum) werden in einer zukünftigen Studie quantifiziert und erörtert.
Erweiterte Preinfusion mit der Decent
Erweiterte Preinfusion mit einem Standard-Durchflussprofil (1/2)
1. Vorhergesehener Übergang in die „Extraktionsphase“ bei niedrigerer Durchflussrate (Ausgangsdruck: 4 bar → 1 bar)
2. Es kann eine höhere anfängliche Preinfusions-Durchflussrate gewählt werden, um eine längere tatsächliche Preinfusion auszugleichen und ein zu hohes PCT-Verhältnis zu vermeiden
Standard-Durchflussprofil (2/2)
3. Eine feinere Mahlung ist erforderlich, um den maximalen Extraktionsdruck aufrechtzuerhalten (geringere Kompression des Pucks, niedrigere durchschnittliche Durchflussrate vor dem Druckpeak).
4. Der gleichmäßigere Druckanstieg (1,5 bar gegenüber 3,7 bar pro Sekunde) trägt ebenfalls dazu bei, das Risiko einer Kanalisierung während der Extraktion zu verringern.
Für einen Brühvorgang mit Druckpriorität ist ein erweitertes Profil erforderlich.
Die Ausgangsdrücke der Schritte 1 und 2 können angepasst werden, um eine optimale Zeit für die Preinfusion zu erreichen.
Ein zusätzlicher Schritt zwischen den Schritten 2 und 3 wäre denkbar (z. B. eine Druckanstiegskurve, um einen sanfteren Übergang zu gewährleisten).
Versuche, Schritt 2 durch eine Druckprioritätsphase (z. B. 1 bar) zu ersetzen, waren nicht sehr erfolgreich (es ist schwierig, sanfte Übergänge zwischen Durchfluss- und Druckprioritätsmodus zu erzielen).
Wie gut ist Ihr Verhältnis der Puck-Kontaktzeit (PCT)?
Formel für den PCT-Wert:
PCT-Wert = ECTT / ECTB
ECTT (Excess Contact Time of Top grinds – Überschüssige Kontaktzeit der oberen Kaffeepartikel): Preinfusion ECTB (Excess Contact Time of Bottom grinds – Überschüssige Kontaktzeit der unteren Kaffeepartikel): Zeit, die zum Ausgießen des „restlichen Kaffees“ benötigt wird.
Volumen des Restbrühwassers = etwa 1 ml/g Trockenkaffee (Dosis) (2)
Zielwert für das PCT-Verhältnis = 1
PCT-Verhältnis < 1: zu kurze Preinfusion
7. Zusammenfassung der Ergebnisse
Puck-Kompression und Strömungsmechanik: Hohe Durchflussraten der Preinfusion (und schnelle Druckanstiege) komprimieren die unteren Schichten des Pucks stärker, was zu höheren Flussgeschwindigkeiten um die unteren Mahlgutpartikel und einem anschließend geringeren Extraktionsdurchfluss führt. Eine langsamere Preinfusion sorgt für eine gleichmäßige Puckdichte, senkt den Spitzendruck bei identischem Mahlgrad und erfordert eine feinere Mahlgradeinstellung, um den Durchfluss anzupassen.
Risiko der Kanalbildung: Die Kombination einer hohen Durchflussrate bei der Preinfusion mit einem steilen Druckanstieg (3,7 bar/s gegenüber 1,5 bar/s) erhöht das Auftreten von Kanalbildung im Puck deutlich.
Temperatur- und Kontaktzeitgradienten: Bei einer langsamen Preinfusion (1 ml/s) werden die oberen Mahlgutpartikel 40 Sekunden lang durchtränkt, bevor die unteren Partikel benetzt werden. Bei kurzen Brühvorgängen sind die Temperaturgradienten stark ausgeprägt; eine Erweiterung des Verhältnisses für den Kaffee von 1:1 auf 1:3 verringert den durchschnittlichen Temperaturunterschied zwischen oben und unten von 28 °C auf 14 °C.
Oberflächenintegrität: Krater im Kaffeepuck entstehen durch zu hohe anfängliche Durchflussraten (5 ml/s, hoher kinetischer Aufprall) oder zu niedrige (<1 ml/s, suboptimale Verteilung durch das Duschsieb) sowie durch aggressive Druckspitzen nach der Preinfusion.
Vorteile einer zweistufigen Preinfusion: Eine variable Preinfusion (mittelhoher Anfangsdurchfluss, gefolgt von einem niedrigen Durchflussschritt, der bei 1 bar ausgelöst wird) maximiert die Gleichmäßigkeit der Kontaktzeit, hält gleichzeitig die Kompression des Pucks gering und verhindert Druckspitzen.
8. Schlussfolgerung
Zusammenfassend lassen sich die im Kapitel „Fragen“ aufgeworfenen Fragen wie folgt beantworten:
Wie beeinflusst die Durchflussrate während der Preinfusion die Gleichmäßigkeit der Puckdichte nach der Preinfusion sowie den gesamten Extraktionsströmungswiderstand?
Eine schnelle Preinfusion verdichtet die unteren Schichten des Kaffeepucks, verringert den Raum zwischen den Partikeln, erhöht die Fließgeschwindigkeit unten und steigert den gesamten Extraktionswiderstand. Eine langsamere Preinfusion sorgt für eine gleichmäßige Dichte des Kaffeebetts, wodurch eine feinere Mahlgröße erforderlich ist, um einen gleichwertigen Extraktionsdruck und Durchfluss zu erreichen.
Welche physikalischen Parameter bestimmen die Homogenität der Kontaktzeit und der Temperatur zwischen der oberen und unteren Schicht des Kaffeebetts?
Ein Gleichgewicht der Kontaktzeit wird dadurch erreicht, dass die Dauer der Preinfusion an die Zeit angepasst wird, die zum Einfüllen des verbleibenden Brühwasservolumens benötigt wird. Die Temperaturgleichmäßigkeit wird in erster Linie durch das Brühverhältnis (höhere Verhältnisse wie 1:3 reduzieren thermische Lücken im Vergleich zu 1:1 um die Hälfte) und kürzere Zubereitungszeiten bestimmt, die den Wärmeverlust begrenzen.
Was verursacht die Kraterbildung an der Oberfläche nach der Extraktion, und wie können Preinfusionsparameter diese mindern?
Kraterbildungen an der Oberfläche entstehen durch den Aufprall von Wasser mit hoher Energie bei übermäßigen Durchflussraten (>5 ml/s), eine schlechte Verteilung auf der Oberfläche bei sehr niedrigen Durchflussraten (<1 ml/s) oder steile Druckanstiege nach der Preinfusion. Moderate anfängliche Preinfusion-Durchflussraten (1,5–5,0 ml/s) und sanfte Druckübergänge mindern die Kraterbildung.
Wie kann eine mehrstufige Preinfusion mit variablem Durchfluss die Konsistenz der Gesamtextraktion optimieren?
Der Beginn der Preinfusion mit einer mittelhohen Durchflussrate (3,0–5,0 ml/s) sättigt den Puck schnell und minimiert so Kontaktlücken zwischen Ober- und Unterseite. Der Übergang zu einer niedrigeren Durchflussrate bei Erreichen eines Ausgangsschwellenwerts von 1 bar verhindert eine übermäßige Kompression des Pucks und vermeidet steile Druckspitzen vor der Extraktion.
Wie wird das Verhältnis der Puck-Kontaktzeit (PCT) definiert, berechnet und mathematisch ausbalanciert?
Das PCT-Verhältnis ist definiert als ECTT / ECTB. Es wird berechnet, indem die gesamte Zeit der Preinfusion durch die Zeit geteilt wird, die zum Ausgießen des restlichen Brühwassers benötigt wird (1 ml pro Gramm Trockenmasse geteilt durch die abschließende Extraktionsdurchflussrate). Ein Verhältnis von 1,0 steht für eine ideale, ausgewogene Kontaktzeit über alle Schichten des Pucks hinweg; Werte unter 1,0 deuten auf eine unzureichende Dauer der Preinfusion hin.
(1)Wahrscheinlich etwas weniger, wenn man die Erosion des Pucks berücksichtigen würde (hier nicht berücksichtigt)
(2)Wahrscheinlich etwas weniger, wenn man die Erosion des Pucks berücksichtigen würde (hier nicht berücksichtigt)
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