De internationale koffiemarkt heeft een waarde van 102 miljard dollar. Deze omvat alles, van oploskoffie tot specialty blends die zorgvuldig worden geselecteerd uit specifieke teeltgebieden. Het zal dan ook niet verbazen dat de hoogste kwaliteit koffie tegen de hoogste prijs wordt verkocht, samen met de hoogste kwaliteitseisen. Koffiebonen worden geoogst als een koffiecherry, die vervolgens wordt verwerkt om de vlezige buitenlaag te verwijderen en groene koffiebonen te produceren. Deze groene koffiebonen zijn de vorm waarin de koffie wordt opgeslagen en vervoerd. Wanneer het tijd is om koffie te produceren, worden de groene bonen geroosterd om de vertrouwde geroosterde koffiebonen te creëren die in winkels worden gekocht of in koffiebars worden gebruikt. De geroosterde bonen worden vervolgens gemalen en gebrouwen tot de bekende kop koffie. Het is duidelijk dat elk van deze stappen zijn eigen uitdagingen kent en elk van invloed kan zijn op de kwaliteit van de geproduceerde koffie.
Theorie van Wateractiviteit Wateractiviteit wordt gedefinieerd als de energiestatus van water in een systeem en is gebaseerd op de fundamentele wetten van de thermodynamica via de Gibbs-vrije energie vergelijking. Het vertegenwoordigt de relatieve chemische potentiële energie van water zoals bepaald door de oppervlakte-, colligatieve en capillaire interacties in een matrix. Praktisch gezien wordt het gemeten als de partiële dampdruk van water in een headspace die in evenwicht is met het monster, gedeeld door de verzadigde dampdruk van water bij dezelfde temperatuur. Wateractiviteit wordt vaak aangeduid als ‘vrij water’, maar aangezien ‘vrij’ niet wetenschappelijk gedefinieerd is en verschillend wordt geïnterpreteerd afhankelijk van de context, is dit onjuist. Vrij water impliceert een kwantitatieve meting, terwijl wateractiviteit een kwalitatieve meting is van de relatieve chemische potentiële energie. In plaats van dat een wateractiviteit van 0,50 aangeeft dat er 50% vrij water is, geeft het correcter aan dat het water in het product 50% van de energie heeft die zuiver water in dezelfde situatie zou hebben. Hoe lager de wateractiviteit, des te minder het water in het systeem zich gedraagt als zuiver water.
Hoewel wateractiviteit een intensieve eigenschap is die de energie van het water in een systeem weergeeft, is het vochtgehalte een extensieve eigenschap die de hoeveelheid vocht in een product bepaalt. Wateractiviteit en vochtgehalte zijn weliswaar gerelateerd, maar niet dezelfde meting. Het vochtgehalte wordt meestal bepaald door gewichtsverlies na droging als het verschil in gewicht tussen een nat en droog monster. Voor koffiebonen biedt het vochtgehalte een standaard voor verkoop, maar het bepaalt niet of het product microbiologisch veilig is. Wateractiviteit en vochtgehalte zijn gerelateerd via de vocht-sorptie-isotherm, maar deze relatie is niet-lineair en product-specifiek.
Voor groene koffie wordt wateractiviteit gemeten door het vloeibare fasewater in het monster in evenwicht te brengen met het dampfasewater in de headspace van een gesloten kamer en de evenwichtsrelatieve vochtigheid (ERH) in de headspace te meten met een sensor. De relatieve vochtigheid kan worden bepaald met een resistieve elektrolytische sensor, een gekoelde spiegelsensor, of een hygroscopische polymere capaciteitsensor. Instrumenten van Novasina, zoals de LabMaster NEO, maken gebruik van een elektrolytische sensor om de ERH binnen een afgesloten kamer met het monster te bepalen. Veranderingen in ERH worden gevolgd door veranderingen in de elektrische weerstand van de elektrolytsensor. Het voordeel van deze aanpak is dat het zeer stabiel is en bestand tegen onnauwkeurige metingen door verontreiniging, wat een bijzondere zwakte is van de gekoelde spiegelsensor. De resistieve elektrolytische sensor kan het hoogste niveau van nauwkeurigheid en precisie bereiken zonder onderhoud en met weinig kalibratie. Koffiebonen kunnen zowel in hun geheel als geplet worden getest, waarbij pletten voordelen biedt in testtijd en herhaalbaarheid.
Wateractiviteit en Cupping Kwaliteit
De waarde van het volgen van de wateractiviteit van groene koffiebonen ligt niet direct in een correlatie met de cuppingscore. Met andere woorden, twee koffiebonen met dezelfde wateractiviteit hebben niet per se dezelfde cuppingscore, noch zal de cuppingscore op een voorspelbare manier toenemen of afnemen wanneer de wateractiviteit stijgt of daalt. Daarom hebben sommige studies geconcludeerd dat wateractiviteit niet nuttig genoeg is om testen te rechtvaardigen en dat het volstaat om op het vochtgehalte te vertrouwen. Het probleem met deze conclusie is ten eerste dat vochtgehalteanalyses in vrijwel alle gevallen moeilijker en veel minder betrouwbaar zijn dan het testen van wateractiviteit. Ten tweede ligt de waarde van wateractiviteit niet in een directe correlatie met de cuppingscore, maar in het bieden van een optimaal bereik voor opslag om microbiële besmetting te voorkomen, chemische afbraakreacties te vertragen en de metabolische activiteit te behouden. Het aanbevolen optimale wateractiviteitsbereik voor opgeslagen groene koffiebonen is 0,45-0,55 aw. Door groene koffiebonen binnen dit wateractiviteitsbereik te drogen en op te slaan, wordt de cupping kwaliteit van de groene koffiebonen niet verbeterd, maar blijft de kwaliteit gedurende 6-8 maanden behouden.
Waarom minder dan 0,55 aw – Microbiële Groei
De belangrijkste reden om een wateractiviteit van 0,55 aw als bovengrens voor opgeslagen groene koffiebonen te hanteren, is het voorkomen van microbiële groei. Elk micro-organisme heeft een ideale wateractiviteit binnen hun celmembraan, en hun vermogen om zich voort te planten en te groeien hangt af van het behouden van die wateractiviteit. Wanneer een micro-organisme zich in een omgeving bevindt waar de wateractiviteit lager is dan hun interne wateractiviteit, ervaart het osmotische stress en begint het water te verliezen aan de omgeving, aangezien water zich verplaatst van een hoge naar een lage wateractiviteit (energie). Dit verlies van water vermindert de turgordruk en remt de normale metabolische activiteit. Om zich te blijven voortplanten, moet het organisme zijn interne wateractiviteit verlagen tot onder die van de omgeving. Het probeert dit te bereiken door intern opgeloste stoffen te concentreren. Het vermogen om de interne wateractiviteit op deze manier te verlagen, is uniek voor elk organisme. Bijgevolg heeft elk micro-organisme een unieke limiet voor wateractiviteit waar beneden ze niet kunnen groeien.
Een lijst met de wateractiviteitslimieten voor de groei van veelvoorkomende bederfveroorzakende organismen is te vinden in Tabel 1. Deze groeilimieten laten zien dat alle pathogene bacteriën stoppen met groeien bij wateractiviteiten onder 0,87, terwijl de groei van veelvoorkomende bederfgisten en schimmels stopt bij 0,70 aw, wat bekend staat als de praktische limiet. Alleen xerofiele en osmotolerante organismen kunnen groeien bij wateractiviteiten onder 0,70 aw, en alle microbiële groei stopt bij wateractiviteiten onder 0,60. Schimmels en hun bijbehorende mycotoxinen zijn de meest waarschijnlijke verontreinigingen op groene koffiebonen, en hun aanwezigheid kan leiden tot muffe off-smaken en geuren of erger nog, een reactie op de mycotoxinen. Echter, bij wateractiviteiten onder 0,55 zouden groene koffiebonen geen microbiële groei ondersteunen, wat het ideale bereik rechtvaardigt onder de 0,55 aw.
Waarom minder dan 0,55 aw – Chemische Stabiliteit
Een aanvullende reden om de wateractiviteit van groene koffiebonen onder 0,55 aw te houden, is om de snelheid van potentieel schadelijke chemische reacties te beperken. Over het algemeen geldt dat de reactiesnelheid toeneemt naarmate de wateractiviteit toeneemt, maar lipide-oxidatie is uniek omdat de reactiesnelheid ook toeneemt bij zeer lage wateractiviteit. Voorbeelden van reacties die kunnen leiden tot de afbraak en het einde van de houdbaarheid van groene koffiebonen zijn Maillard-bruining (veranderingen in kleur en smaak), lipide-oxidatie (ranzigheid) en veroudering.
Het onder de 0,55 aw houden van de wateractiviteit van groene koffiebonen zal de snelheid van deze reacties vertragen, maar ze zullen nog steeds optreden. De tijd die nodig is voordat de reactie een onaanvaardbaar niveau bereikt bij een bepaalde wateractiviteit en temperatuur bepaalt de houdbaarheid van het product. Als de reactiesnelheden bij verschillende opslagcondities worden bepaald, kan een voorspellend model worden gebruikt om de tijd te schatten die nodig is voor de reactie om tot een onaanvaardbaar niveau door te gaan onder elke opslagconditie. Om dit te doen, zal de voortgang van de reactie moeten worden gevolgd met een vorm van kwantitatieve beoordeling. Voorbeelden van methoden voor het kwantificeren van veelvoorkomende reacties zijn:
- Lipide Oxidatie/Ranzigheid
- Peroxidewaarden
- Tbar-waarden
- Zuurstofverbruik
- Sensorische beoordeling
- Bruiningsreacties
- Kleurveranderingen
- Sensorische beoordeling
- Vorming van reactieve producten
Hoewel er voorbeelden van houdbaarheidsmodellen in de literatuur zijn, is het enige fundamentele model dat zowel wateractiviteit als temperatuur omvat hygrothermische tijd. Dit is afgeleid van een variant van de Eyring-vergelijking voor snelheidsveranderingen en de Gibbs-vergelijking voor vrije energie.
Waarom hoger dan 0,45 aw – Metabole Stabiliteit
De belangrijkste reden om de wateractiviteit van opgeslagen groene bonen niet onder de 0,45 aw te laten dalen, is om de levensvatbaarheid van de groene zaden te behouden, inclusief de enzymatische activiteit die essentieel is voor het behoud van het verwachte smaak- en aromaprofiel van koffie. Groene koffiebonen met een wateractiviteit van minder dan 0,45 aw kunnen hun vitaliteit verliezen, wat resulteert in verouderde smaken wanneer de koffie wordt geroosterd. Bovendien kan het oppervlak van groene koffiebonen bij wateractiviteiten onder 0,45 stijver en brozer worden, wat resulteert in een slechtere maalprestatie bij de voorbereiding op het roosteren.
Ideale Wateractiviteit voor Groene Koffie
Net als de meeste producten wordt groene koffie op basis van gewicht verkocht. Door de hoeveelheid water, het goedkoopste ingrediënt, in het product te maximaliseren terwijl het veilig en stabiel blijft, kan de winstgevendheid worden gemaximaliseerd. Het ideale wateractiviteitsbereik voor het opslaan van groene koffiebonen is vastgesteld, en het overschrijden of onderschrijden van dit bereik maakt het product minder wenselijk. Groene koffie met een cuppingscore van 88 die buiten het ideale wateractiviteitsbereik wordt opgeslagen, kan binnen slechts 1-2 maanden meerdere punten verliezen in cuppingscore. De sleutel tot het maximaliseren van de winstgevendheid en het waarborgen van de kwaliteit is daarom ervoor te zorgen dat de wateractiviteit van groene koffiebonen zich binnen het bereik van 0,45-0,55 aw bevindt.
Het testen van de wateractiviteit van groene koffiebonen kan eenvoudig worden uitgevoerd met een simpele test met behulp van de hoogwaardige apparatuur van Novasina. Neem contact op met Novasina of een van hun wereldwijde partners om meer te weten te komen over het testen van wateractiviteit.
De Auteur
Dr. Brady Carter is Senior Research Scientist bij Carter Scientific Solutions. Hij is gespecialiseerd in toepassingen van wateractiviteit en vocht-sorptie. Dr. Carter behaalde zijn Ph.D. en M.Sc. in Food Engineering and Crop Science aan Washington State University en een Bachelor in Botanie aan Weber State University. Hij heeft 20 jaar ervaring in onderzoek en ontwikkeling en bekleedde, voordat hij zijn eigen bedrijf oprichtte, posities bij Decagon Devices en Washington State University. Momenteel biedt Dr. Carter contractuele wetenschappelijke ondersteuning aan Novasina AG en Netuec Group. Hij heeft seminars over wateractiviteit gegeven in meer dan 23 verschillende landen en on-site training verzorgd voor bedrijven wereldwijd. Dr. Carter heeft meer dan 20 whitepapers geschreven over wateractiviteit, vocht-sorptie-isothermen en complete vochtanalyse. Hij heeft honderden presentaties gegeven en gesproken op tal van wetenschappelijke conferenties. Hij ontwikkelde het ‘shelf life simplified’-paradigma en het hygrothermische houdbaarheidsmodel.
Neem contact op om meer te weten te komen over je specifieke toepassing en de mogelijkheden!
