Kaffee und Koffein

Der Kaffeebaum

Die Gattung Coffea, die zu der Familie der Rubiaceae (Rötegewächse) gehört, umfasst ca. 70 Arten, die überall in den Tropen wachsen. Die Heimat der meisten Arten ist Afrika, einige stammen aber auch aus Asien. Drei Arten werden hauptsächlich in Kaffeeplantagen angebaut: Coffea arabica (Bergkaffee), Coffea canephora (Robusta-Kaffee) und Coffea liberica (Liberiakaffee). Die ersten beiden Arten teilen sich 99% des Weltmarktes, wobei Coffea arabica derzeit ca. 75% ausmacht, Tendenz steigend. Die Heimat des Coffea arabica ist Äthiopien, wo er auch heute noch wild vorkommt.

Die Kaffeepflanze ist ein kleiner Baum, der im Falle des Coffea arabica und des Coffea canephora fünf bis sechs und im Falle des Coffea liberica zehn bis fünfzehn Meter groß wird; in Kultur werden die Pflanzen allerdings als Strauch gehalten. Die länglich ovalen, ca. fünf bis zwanzig Zentimeter langen, immergrünen Blätter sind kreuzgegenständig angeordnet, von ledriger Konsistenz und von leuchtend grüner Farbe. Aus den Blattachseln wachsen Büschel von kleinen weißen Blüten hervor, bei Coffea arabica mit vier bis sechzehn, bei Coffea canephora mit bis zu sechzig Blüten. Diese Blüten blühen meistens gleichzeitig für nur wenige Stunden auf und verbreiten einen jasminartigen Duft. Sie besitzen fünf Kelchblätter, fünf Staubblätter und einen kugeligen Fruchtknoten mit zwei Samenanlagen, aus dem sich in sechs bis sieben Monaten die Frucht des Kaffeebaumes entwickelt: die Kaffeekirsche .

Diese Steinfrucht ist im unreifen Zustand grün und verfärbt sich zur Reife hin zinnoberrot und im überreifen Zustand braun. Im Inneren der Kaffeekirsche befinden sich zwei Steinkerne mit einer harten Hornschale unter dem der Samen (die Kaffeebohne mit der charakteristischen Längsfurche) liegt, der seinerseits noch mal von einer Samenschale umgeben ist. Manchmal enthält eine Kaffeekirsche auch nur einen Steinkern, der dann nicht halbrund abgeflacht, sondern rundlich ist. Man spricht in diesem Falle vom Perlkaffee.

Kaffeebäume bzw. -sträucher blühen vom dritten Jahr an und bringen ca. 30 Jahre lang lohnende Erträge. Der Baum selbst wird bis zu sechzig Jahre alt. Kaffee wächst in den Tropen bis 24° nördlich und südlich vom Äquator. Coffea arabica, der ursprünglich aus Äthiopien stammt, wächst in Höhen von 600 bis 1200 Meter und benötigt Niederschlagsmengen zwischen 500 bis 1500 mm. Die durchschnittliche Jahrestemperatur sollte im Anbaugebiet 17 bis 22° C betragen. Der Kaffee verträgt keinen Frost und diese Bedingung grenzt das Anbaugebiet ein. Coffea canephora ist in Westafrika beheimatet und wächst auf 300 bis 600 Meter Höhe. Er benötigt genau wie Coffea liberica, der aus den tropischen Niederungen Afrikas stammt, ca. 2000 mm Jahresniederschlag.

Kaffeeanbau

Coffea arabica wird hauptsächlich in Süd- und Mittelamerika angebaut und dort vor allem in Brasilien, Jamaika, Costa Rica, Guatemala, El Salvador, Mexiko und Kolumbien. In Afrika gibt es einige Plantagen in Kenia, Äthiopien, Tansania und in Kamerun. Coffea arabica ist weniger robust als Coffea canephora, schmeckt dafür aber besser. Der Anbau erfordert mehr Pflege und der Ertrag ist geringer.

Die Anbaugebiete von Coffea canephora liegen überwiegend in Afrika (und hier hauptsächlich in der Republik Elfenbeinküste, daneben noch in Uganda, Kamerun, Madagaskar, Gabun, in der Zentralafrikanischen Republik, Togo, Angola und Zaire) und in Südostasien (auf den indonesischen Inseln Sumatra, Java, Bali und Celebes). Der Robustakaffee ist wie sein Name bereits sagt recht widerstandsfähig und verlangt weniger Pflege. Sein Geschmack wird von Kaffee-Experten allerdings als rau, hart und kräftig bezeichnet, sodass seine Bohnen in Deutschland nur für Billigkaffee oder als Zumischung zu Arabica verwendet werden.

Die Kaffeepflanzen benötigen Wind- und Sonnenschutzpflanzen (Coffeemamas), da sie es gewohnt sind, als relativ kleine Bäume unter dem schützenden Blätterdach höherer Bäume zu leben. Ab dem sechsten Lebensjahr werden sie abgeerntet und die maximalen Erträge liefern sie mit zehn bis vierzehn Jahren. Nach 20 bis 30 Jahren werden sie durch neue Pflanzen ersetzt. Die voll ausgereiften Kaffeekirschen werden maschinell oder von Hand geerntet. Nach einer maschinellen Ernte müssen die noch grünen Kirschen von Hand aussortiert werden, da sie den Geschmack verderben. Ein Hektar Anbaufläche liefert ca. 500 kg Kaffeekirschen pro Jahr.

Verarbeitung der Kaffeekirschen

Die geernteten Kaffeebohnen müssen sofort zu Rohkaffee weiterverarbeitet werden, weil das Fruchtfleisch sonst gären und den Kaffee dadurch verderben würde. Hierzu gibt es zwei Verfahren: die trockene und die nasse Aufbereitung.
Bei der trockenen Methode werden die Kirschen entweder auf Trockenterrassen ausgebreitet und von der Sonne getrocknet oder in Dörröfen gesteckt und dort entwässert, bis die Bohnen in ihrer Schale rascheln. Mit Schälmaschinen werden die Kirschen dann aufgebrochen und das getrocknete Fruchtfleisch, die Hornschale und die Silberhaut entfernt. man erhält so den grünlichen Rohkaffee.

Bei der nassen Methode werden die Kaffeekirschen unter fließendem Wasser in einem Entpulper zerquetscht und vom Großteil des Fruchtfleischs befreit. Eine anschließende ein- bis zweitägige Gärung in großen Bottichen dient der Entfernung der letzten Fruchtfleischreste. Die Kerne werden nun noch abgewaschen und getrocknet. Der so erhaltene Kaffee heißt Horn- oder Pergamentkaffee. In einer Schälmaschine werden schließlich die Hornschale und die Silberhaut entfernt und man erhält den Rohkaffee.

Die nasse Aufarbeitungsmethode liefert ein besseres Produkt und wird deshalb der trockenen vorgezogen. Der helle grünliche Rohkaffee ist im Gegensatz zum fertig gerösteten Kaffee fast beliebig lange haltbar. Er wird in 60-Kilogramm-Säcke verpackt und in die Verbraucherländer verschickt. Rohkaffee enthält 8-17,5% Fett, 0,25-0,75% Wachs, 6-7% Saccharose, bis zu 30% Polysaccharide, 8,7-12,2% Proteine, 4,5-11,1% Chlorogensäuren (Kaffeegerbsäuren), 0,9-2,6% Koffein (das den Kaffeesamen vor Pilzen schützt), 0,3-1,2% Trigonellin und 7-12% Wasser.

Das Rösten des Rohkaffees

Der Rohkaffee wird in den Verbrauchsländern geröstet, um das typische Kaffeearoma zu erzeugen. Dazu werden die rohen Kaffeebohnen in 200-220° C heißen Trommeln umgewälzt, bis der erwünschte Bräunungsgrad erreicht ist. In Frankreich, Italien und Spanien sind lange geröstete dunkelbraune Bohnen beliebt, in Deutschland werden die kürzer gerösteten hellbraunen Bohnen bevorzugt. Der Röstvorgang ist chemisch gesehen ungeheuer komplex, da mehr als 800 Aromastoffe entstehen, unter anderen auch so unerwartete Substanzen wie Buttersäure und Pyridin, die nur in stärkster Verdünnung zum Wohlgeruch beitragen können, ansonsten aber übel stinken.

Beim Rösten verlieren die Bohnen 18 - 22 % ihres Gewichtes und ihr Volumen nimmt um 60 % zu. Die Gerbsäuren werden teilweise zerstört, wodurch der Kaffee aus den dunkler gerösteten Bohnen magenfreundlicher ist und weniger scharf schmeckt als der aus hellen Bohnen. Die in den Rohkaffeebohnen enthaltenen Proteine und Zucker liefern bei der Röstung dunkel gefärbte Produkte der Maillard-Reaktion. Die im gerösteten Kaffee enthaltene Verbindung 2-Mercaptomethylfuran riecht als einzige in starker Verdünnung ähnlich wie Kaffee und wird deswegen zur Herstellung künstlicher Kaffee-Essenzen benutzt. Das Koffein übersteht den Röstvorgang ziemlich unbeschadet.
Die chem. Zusammensätzung des Röstkaffee variiert in Abhängigkeit der Sorte und des Röstgrades. Enthalten sind u.a. ca. 1,5 - 3,5 % Wasser, ca. 9 % Protein, ca. 1 % Oligosacccaride, ca. 30 % Polysaccariede, 11 - 15 % Lipide, 4-5 % Asche, 4 -7 % Chlorogensäure und 1 - 1,5 % Koffeein.

Bei den im Kaffee enthaltenen Säuren handelt es sich größtenteils um Chlorogensäuren. Dies sind Ester aus Kaffeesäure und Chinasäure. Die Hauptverbindung ist 3-Caffeoyl-chinasäure. Sie bildet teilweise einen hydrophoben Molekülkomplex mit dem Koffein im molaren Verhältniss 1:1.

Das Koffein

Koffein (1,3,7-Trimethylxanthin) gehört zu den Alkaloiden. Das organische Molekül enthält mehrere Keto- und Amino-Gruppen (Bild 4), von denen letztere für die Basizität sorgen.
Koffein stimuliert das Zentralnervensystem (auch bei Müdigkeit), beschleunigt die Herztätigkeit, erhöht den Blutdruck und die Durchblutung. Größere Koffeinmengen wirken harntreibend und können zu Darmreizungen führen. Zu Beginn einer Schwangerschaft erhöht der Konsum von mindestens drei Tassen Kaffee täglich das Abortrisiko (Kindstod) um mehr als das Doppelte.

Die Wirkungen des Koffeins sind je nach der körperlichen Konstitution des Konsumenten ganz unterschiedlich. Koffein kann beispielsweise Kopfschmerzen verursachen, aber auch Kopfschmerzen beseitigen. Bei den meisten Menschen wirkt Kaffeegenuss am Abend absolut nicht schlaffördernd, wohingegen Hypotoniker (Menschen mit zu geringem Blutdruck) und ältere Menschen mit Herzschwäche Kaffee als Schlafmittel einsetzen können. Auch bei der Migränetherapie wird Koffein verwendet.

Koffein macht ganz klar süchtig. Der Genuss von einer bis drei Tassen Kaffee am Tag über längere Zeit führt zu einer körperlichen Abhängigkeit, die aber ohne größere Probleme überwunden werden kann. Der Koffeinentzug führt zu starker Nervosität, Müdigkeit, gelegentlich sogar zu Erbrechen, Kopfschmerzen und zu Konzentrationsstörungen, die aber nach ein paar Tagen nachlassen.

Entkoffeinierter Kaffee
Aufgrund möglicher Folgeprobleme beim Genuss von Kaffee wurden Kaffeesorten entwickelt, die nur einen geringen Koffeingehalt aufweisen. Bei diesen Sorten wird das Koffein aus dem Rohkaffee herausgelöst, indem er mit Kohlenstoffdioxid behandelt wird, welches unter hohem Druck steht und so flüssig ist. Bei den herrschenden relativ niedrigen Temperaturen wird Koffein, welches in den Zellen kristallin vorliegt, extrahiert. Die Aromastoffe bleiben weitgehend erhalten, denn sie sind im Lösungsmittel nicht löslich und werden bei den herrschenden Temperaturen auch nicht zerstört.

Koffeinfreier Kaffee kann jedoch mit diesem Verfahren nicht produziert werden. Der Koffeingehalt beträgt immer noch 0,08 % bis 0,1 %, d. h. in einem Kilogramm Kaffeepulver sind 0,8 bis 1 Gramm Koffein enthalten. Nach dieser Behandlung des Rohkaffees wird der Kaffee ebenfalls geröstet.

Schonkaffee (magenschonender Kaffee)
Neben dem Koffein sind im Kaffe viele weitere Substanzen enthalten. Einige - z. B. die sogenannten Gerbsäuren - führen bei empfindlichen Personen zu Magenproblemen. Daher werden auch Kaffeesorten hergestellt, bei denen dem Rohkaffe entsprechende Reizstoffe entzogen werden, die aber den gleichen Koffeingehalt wie "normale" Kaffeesorten beinhalten. Bei diesem Verfahren wird also kein Koffein entzogen. Dazu werden die Kaffeebohnen gedämpft bzw. mit einem Lösungsmittel, in dem sich diese Reizstoffe lösen, gewaschen und so Reizstoffe extrahiert. Anschließend wird der Kaffee geröstet.

Löslicher Kaffee
Für die Herstellung von löslichem Kaffe werden die gerösteten Kaffeebohnen gemahlen und mithilfe verschiedener Lösungsmittel die Inhaltsstoffe extrahiert. Der Extrakt wird immer weiter eingeengt (Trennung von Inhaltsstoffen des Kaffees und Lösungsmittel durch Erhitzen), bis er eine dickflüssige Konsistenz aufweist. Dieser Extrakt wird danach getrocknet. Dazu wird er in einem Verfahren in einem Heißluftstrom versprüht. Bei einem anderen Verfahren wird der Extrakt bei -40 °C gefriergetrocknet. Anschließend wird das noch enthaltene Wasser im Vakuum von dem dann löslichen Kaffe getrennt.

Zubereitung des Getränks
Zur Bereitung des Getränks sollte der Röstkaffee möglichst frisch gemahlen sein, da die Aromastoffe durch den Luftsauerstoff beeinträchtigt werden. Daher sollte der Röstkaffee, insbesondere der gemahlene Röstkaffe möglichst luftdicht verpackt werden. Nach Art der Kaffeebereitung muss der Kaffee grob, fein oder mittelfein gemahlen sein. Ob man den Kaffee mit kochendem Wasser überbrüht oder in einer Kaffeemaschine zubereitet, auch hier werden die Aromastoffe durch das Wasser extrahiert. Bei der Bereitung von Filterkaffee wird durch den Filter zusätzlich das Kaffeepulver vom Getränk getrennt. Das kann in speziellen Pressstempelkannen geschehen oder durch entsprechende Filter realisiert werden. Welche Filter Verwendung finden, ist auch eine Frage des Geschmacks, da beispielsweise durch Papierfilter auch ein Teil der Aromastoffe zurückgehalten werden.