Espresso: Wie Perkolation die perfekte Extraktion erklärt

Nach der Lektüre haben Sie keine Ausrede mehr, Ihren Gästen weiterhin Sockenwasser zu servieren.

Wenn Kaffee für Sie der morgendliche Rettungsanker ist, Sie aber nicht als Profi-Barista arbeiten, dann kennen Sie das: mal gelingt der Shot, mal nicht. An manchen Tagen schmeichelt der Espresso dem Gaumen, an anderen wirkt er unerquicklich – zu bitter, zu dünn, irgendwie daneben. Das ist nicht nur Einbildung: Lange fehlte ein gemeinsames Modell, das die vielen Stellschrauben zusammenbringt, die darüber entscheiden, ob Sie ein Getränk bekommen, das Sie mit dem Tag versöhnt, oder eine lauwarme Brühe, die schon beim ersten Schluck „langer Tag“ ankündigt.

Genau diese Unschärfe hat nun ein internationales Team von Mathematikerinnen und Mathematikern verringert. Es stellte ein Modell vor, das den Wasserfluss durch gemahlenen Kaffee besser beschreibt und vorhersagen soll. Die Studie erschien am 1. April in Royal Society Open Science und stützt sich auf ein physikalisches Prinzip, an das man am Siebträger kaum denkt: die Perkolation.

Espresso, von innen betrachtet

In jeder Espressomaschine wird das Kaffeemehl in eine kleine zylindrische Kammer, den Filterkorb, gefüllt und verdichtet. Starten Sie den Bezug, wird heisses Wasser mit einem Druck von bis zu neun bis zehn Bar durch das Kaffeebett gepresst – dabei werden Öle, Zucker, Säuren und Koffein aus dem Kaffee gelöst.

Diese Phase nennt sich Extraktion. Wie gut sie ausfällt, hängt von vielen Grössen ab: Partikelgrösse, Verdichtung, Oberfläche des Kaffeebetts, Anordnung der leeren und gefüllten Zwischenräume, Durchfluss, Kontaktzeit und mehr. Die einzelnen Einflussfaktoren waren zwar bekannt – doch bislang waren sie nicht in einer einzigen, vorhersagenden Gleichung zusammengeführt.

Mikro-CT, Tumba und Guayacán: So wurde das Kaffeebett vermessen

Um das zu ändern, arbeiteten die Forschenden mit zwei Röstkaffeesorten: Tumba aus Ruanda und Guayacán aus Kolumbien. Beide wurden in elf unterschiedlichen Mahlgraden vermahlen. Jede Probe kam anschliessend in Röhrchen und wurde mit Röntgen-Mikrotomographie (Mikro-CT) untersucht – einem Verfahren, das dreidimensionale Karten der inneren Struktur mit mikrometergenauer Auflösung erzeugt.

Perkolation als Schlüssel: Warum Wasser nicht gleichmässig durchs Kaffeemehl läuft

Auf Basis dieser 3D-Daten konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den genauen Weg des Wassers durch das Kaffeebett simulieren, indem sie das Perkolationsprinzip anwendeten. Es beschreibt, wie sich ein Fluid in porösem Material fortbewegt, und unterscheidet zwischen Kanälen, die durchgängig verbunden sind, und solchen, die sich in Sackgassen verlieren.

Denn in der Praxis verteilt sich Wasser im Kaffeebett gerade nicht homogen. Es sucht sich bevorzugt die offensten Wege, umgeht zu dichte Zonen und kann an einigen Stellen zeitweise stocken, bevor es am Auslauf ankommt. Indem die Forschenden dieses Verhalten – typisch für Strömungsmechanik in porösen Medien – abbildeten, formulierten sie eine Gleichung, die Partikelgrösse, Verdichtung und Geometrie der Zwischenräume mit der Kontaktzeit zwischen Wasser und Kaffee verknüpft. Und genau diese Kontaktzeit ist letztlich die Variable, die die Qualität des Kaffees in Ihrer Tasse bestimmt.

Wie gelingt Ihnen Ihr bester Espresso?

Das alles ist spannend – doch Sie wollen keine numerischen Simulationen fahren, sondern schlicht einen guten Espresso trinken. Deshalb hier die Erkenntnisse der Studie in einer praktischen Form. Entscheidend ist die Kontaktzeit von Wasser und Kaffeemehl: Ist sie zu kurz, nimmt das Wasser Zucker und Aromastoffe nicht ausreichend mit – der Kaffee wirkt säuerlich und flach. Ist sie zu lang, werden auch Tannine und bittere Komponenten übermässig gelöst, die sonst eher im Hintergrund bleiben: aggressive Bitterkeit, Adstringenz und ein verbrannter Eindruck.

Vier Stellschrauben für die Kontaktzeit beim Espresso

An dieser Kontaktzeit können Sie über vier Parameter drehen. Zuerst der Mahlgrad: Je feiner die Partikel, desto enger die Wege zwischen ihnen, desto stärker wird der Durchfluss gebremst – und desto länger bleibt das Wasser im Kontakt mit dem Kaffee. Eine grobe Mahlung dagegen schafft breite Kanäle: Das Wasser rauscht durch und ist weg, bevor genug extrahiert wurde. Für Espresso braucht es eine sehr feine, fast pudrige Mahlung. Läuft Ihr Bezug in unter zwanzig Sekunden durch, sollten Sie feiner mahlen; dauert er länger als dreissig Sekunden, ist eine gröbere Einstellung sinnvoll.

Zweiter Punkt: die Verdichtung (Tampen). Durch das Andrücken im Filterkorb werden die Zwischenräume mechanisch verkleinert – mit einem ähnlichen Effekt wie bei feinerer Mahlung. Eine gleichmässige, kräftige Verdichtung von ungefähr fünfzehn bis zwanzig Kilogramm Druck reicht; übermässig starkes Tampen kann die Extraktion aus dem Gleichgewicht bringen.

Drittens: die Dosis. Je mehr Kaffee im Filterkorb liegt, desto dicker wird der Puck, desto länger ist der Weg, den das Wasser zurücklegen muss – und desto länger ist der Kontakt. Ein Standard-Doppel-Espresso liegt bei etwa achtzehn bis zwanzig Gramm; darunter ist der Puck zu dünn und die Extraktion tendiert zu schnell.

Viertens: die Oberfläche der Partikel. Das ist eine direkte Folge der Mahlfeinheit: Viele kleine Partikel bieten gemeinsam eine deutlich grössere Gesamtoberfläche, an der Wasser im jeweiligen Kontaktmoment Stoffe lösen kann – unabhängig davon, wie hoch der Durchfluss gerade ist.

Beim Einkauf: passende Espressomahlung und warum die Mühle wichtiger ist als die Maschine

Gehen Sie am besten zu einer Rösterei in Ihrer Nähe – dort kann man Ihnen die passende Espressomahlung empfehlen. Und so überraschend es klingt: Die Preise sind oft nicht zwingend höher als bei Kaffee aus dem Supermarkt.

Alternativ kaufen Sie ganze Bohnen und mahlen selbst – mit einer echten Kaffeemühle, die mehrere Mahlgrade sauber abbildet. Wenn das Budget eng ist, geht auch eine Handmühle (das trainiert die Oberarme) – vermeiden Sie aber möglichst Klingenmühlen, die den Kaffee hacken und dabei erwärmen, weil das den Geschmack verfälschen kann. Besser ist eine Mühle mit Mahlwerk (Scheiben- oder Kegelmahlwerk), die die Aromen schont. Wie es jeder Kaffeefan formulieren würde: Lieber in eine gute Mühle investieren als ein Vermögen für die Maschine auszugeben. Sie prägt die Qualität Ihres Getränks noch bevor alles andere überhaupt eine Chance bekommt. Damit wissen Sie (fast) alles – Ihre nächste Tasse mit Spülmittel-Note wäre dann eine vollständig bewusste und selbst verantwortete Entscheidung.