Molekularsensorische Studien zum Einfluss von hoch‐ und niedermolekularen Inhaltsstoffen auf Aromaänderungen in Kaffeegetränken
Authors: Gigl Michael , Hofmann Thomas 
Published: June 2023

Kaffee zeichnet sich durch ein unverwechselbares Aroma und einen besonderen Geschmack aus. Gerade dieses einzigartige Aroma von Kaffeegetränken ist jedoch extrem instabil und die flüchtigen Bestandteile des Kaffees unterliegen zahlreichen Umwandlungsreaktionen, vor allem während der Lagerung zubereiteter Getränke in geschlossenen Systemen, wie z.B. Thermoskannen. Die Interaktionen, die diesen Umwandlungen auf molekularer Ebene zugrunde liegen, sind bislang aber nur ansatzweise verstanden.

So wurde im ersten Teil der Arbeit der Einfluss hochmolekularer Melanoidine hinsichtlich der Auswirkung auf die olfaktorischen Eigenschaften von Kaffee untersucht. Dabei konnte in humansensorischen Experimenten ein drastischer Rückgang der röstigen, erdigen und rauchigen Aromanoten, sowie verstärkte süßlich/karamellartige Aromaeindrücke nachgewiesen werden. Die Entwicklung eines NMR‐basierten Assays verhalf zunächst in Screenings, die molekularen Grundlagen von Aromastoff‐Melanoidin‐Interaktionen genauer zu beleuchten. Lagerungsexperimente in Kombination mit statistischen Clusteranalysen ermöglichten die Etablierung von Struktur‐WirkBeziehungen und Kategorisierung der Schlüsselaromastoffe von Kaffeegetränken in eines von vier Szenarien. Die Ergebnisse der Interaktionsstudien konnten danach auf reale Kaffeegetränke übertragen werden. Im Anschluss wurden durch aktivitätsorientierte Fraktionierung mittels sequentieller Ultrafiltration Subfraktionen von Melanoidinen aus unterschiedlich gerösteten Kaffees isoliert und hinsichtlich ihrer Aromabindungsaktivität charakterisiert. Hierbei stellten sich die Fraktionen >50 kDa und 5‐10 kDa als besonders aktiv heraus. Aufgrunddessen wurde in nachfolgenden Kompositionsanalysen die molekulare Zusammensetzung der Melanoidinfraktionen nach Hydrolyse untersucht. Daraus ergab sich, dass vor allem Hydroxyzimtsäuren als Interaktionspartner für Aromastoffe mit delokalisierten aromatischen Systemen, wie z.B. 2‐Furfurylthiol oder Pyrazinen eine wichtige Rolle spielen. Nachfolgende alkalische Behandlung von ausgewählten Melanoidinfraktionen lieferte eine effektive Grundlage, um ungewollte Aromaverluste während der Lagerung zu minimieren. Im zweiten Teil der Arbeit konnte mit Hilfe von Dotierungsexperimenten in Kombination mit holistischen UPLC‐TOF‐MS‐Analysen die Entstehung von niedermolekularen Reaktionsprodukten aus flüchtigen und nicht‐flüchtigen Kaffeeinhaltsstoffen während der Lagerung von Getränken unter Thermoskannenbedingungen molekularsensorisch untersucht werden. Statt iterativer Isolierung und Fraktionierung konnten mit Hilfe der hochauflösenden Massenspektrometrie Reaktionen von Streckeraldehyden und Thiolen, welche auch im ersten Teil der Arbeit als hoch reaktiv identifiziert wurden, mit nicht‐flüchtigen Präkursoren untersucht werden. Mit Hilfe von multivarianter statistischer Datenanalyse konnten Interaktions‐Marker lokalisiert werden. Die Strukturaufklärungen dieser Marker‐Moleküle erfolgte dabei nach Synthese und Isolierungen mittels 1D‐/2D‐NMR‐Experimenten und TOF‐MS‐Messungen. So konnten im Rahmen der vorliegenden Arbeit insgesamt 34 Reaktionsprodukte, darunter 25 bislang nicht beschriebene Verbindungen, strukturell charakterisiert und im Anschluss in authentischen Kaffeegetränken erstmals nachgewiesen werden. Danach erfolgte die zielgerichtete Quantifizierung der Interaktionsprodukte nach Synthese geeigneter interner Standards via UHPLC‐MS/MS. Dabei konnten die Aldehyd‐Reaktionsprodukte in frisch zubereiteten Kaffeegetränken unterschiedlicher Röstgrade sowie der Einfluss von Lagerungszeit und ‐temperatur auf die Konzentrationen der Thiol‐Reaktionsprodukte quantitativ bestimmt werden.

Humansensorische Experimente ergaben Bitterschwellenwertkonzentrationen der Chlorogensäure/Aldehyd‐Reaktionsprodukte im Bereich von 48‐297 μmol/l, wohingegen das Chinasäurelacton/Acetaldehyd‐Reaktionsprodukt eine Bittererkennungsschwelle von 658 μmol/l aufwies. Die Konzentrationen der Aldehyd‐Reaktionsprodukte in Kaffeegetränken liegen jeweils deutlich unter den individuellen Geschmacksschwellenwerten, sodass ein direkter Einfluss auf die Kaffeebitterkeit kaum zu erwarten ist. Dennoch werden Schlüsselaromastoffe wie Aldehyde und Thiole in Form von nicht‐flüchtigen Reaktionsprodukten gebunden, so dass diese dem Gesamtaromaspektrum entzogen und folglich nur noch in reduziertem Umfang sensorisch wahrgenommen werden.

Zusammenfassend ermöglichte die Kombination aus qHNMR, UPLC‐TOF‐MS, Stabilisotopen‐ markierungsexperimenten und humansensorischen Analysen somit die Molekularisierung dynamischer reversibler, sowie irreversibler Reaktionen zwischen flüchtigen und nicht‐flüchtigen Kaffeeinhaltsstoffen.