Dwie zmienne, jeden pomiar

Smak czarnej kawy zależy przede wszystkim od dwóch niezależnych czynników – mocy naparu i stopnia palenia ziaren, co wypływa na aromat, goryczka, słodycz. Standardem w obiektywnej ocenie naparu była refraktometria, która poprzez badanie załamania światła pozwala oszacować całkowitą ilość substancji rozpuszczonych (z ang. total dissolved solids, TDS). Problem polega na tym, że TDS informuje nas wyłącznie o ogólnym stężeniu (mocy naparu), całkowicie ignorując jego skład jakościowy. Dwie kawy o identycznym współczynniku załamania światła mogą smakować diametralnie różnie, jeśli jedna pochodzi z jasnego (z ang. light roast), a druga z ciemnego lub średniego palenia (z ang. dark/medium roast). Naukowcy z University of Oregon oraz Drexel University pod kierunkiem prof. Christophera H. Hendona wykorzystali cykliczną wolatamperometrię do jednoczesnego i niezależnego pomiaru mocy naparu i stopnia palenia ziaren bezpośrednio w czarnej kawie, a niekorzystne zjawisko zużywania elektrody zinterpretowali jako kolejne dane pomiarowe. Wcześniejsze podejścia elektrochemiczne wymagały niemal stukrotnego rozcieńczenia próbki. Autorzy dokonywali pomiarów bezpośrednio w zaparzonej kawie, bez dodawania elektrolitu, ponieważ napar sam przewodzi prąd i jest naturalnie zbuforowany (pH ok. 5–6).

Woltamperometria cykliczna

Aby zrozumieć, w jaki sposób woltamperometria cykliczna, nazywana również chronowoltamperometrią, pozwala „przeczytać” skład kawy, należy odwołać się do fizykochemicznych podstaw metody. Zjawisko to opiera się na polaryzacji elektrody roboczej liniowo-zmiennym potencjałem w czasie do wartości zwrotnej oraz w kierunku wyjściowym. Przepływający w kolejnych cyklach prąd jest ciągle rejestrowany przez układ potencjostatu, dając obraz odpowiedzi elektrochemicznej analitu.

Pomiary prowadzi się w klasycznym układzie trzyelektrodowym, na który składają się:

* elektroda odniesienia (z ang. reference electrode, RE) – wzorzec o stałym, znanym potencjale (np. elektroda AgCl ); służy jako punkt docelowy do precyzyjnego pomiaru potencjału elektrody roboczej;

* elektroda pomocnicza/przeciwna (z ang. counter/auxiliary electrode, CE) – zamyka obwód elektryczny i równoważy przepływ elektronów przechodzących przez elektrodę roboczą (często drut platynowy, Pt), umożliwiając potencjostatowi dokładne utrzymanie docelowego potencjału;

* elektroda pracująca/robocza (z ang. working electrode, WE) – miejsce, na którym bezpośrednio zachodzi badana reakcja elektrochemiczna; jej potencjał jest precyzyjnie kontrolowany i obliczany w stosunku do RE, a pochodzące z niej sygnały określają odpowiedź analitu; zespół Bumbaugh przeanalizował zachowanie elektrod z węgla szklistego (GC), diamentu domieszkowanego borem (BDD) oraz czystej platyny (Pt).

Odczyt prąd-potencjał tworzy charakterystyczny kształt kaczki z profilu lub inaczej histerezy – czyli unikatowy przedziału wartości, który można identyfikować jako odcisk palca (z ang. voltammetric fingerprint) badanej mieszaniny. CV działa na zasadzie reakcji utleniania-redukcji, tj. oksydacja związana jest z utratą elektronów przez analit, a redukcja polega na pobraniu elektronów z elektrody przez analit. Gdy potencjał na WE osiąga wartość, przy której składnik roztworu ulega utlenieniu lub redukcji, natężenie prądu gwałtownie rośnie, a następnie spada wskutek zubożenia warstwy przyelektrodowej (utworzenia warstwy dyfuzyjnej), tworząc pik. Jego położenie wskazuje rodzaj reakcji, a wysokość jest proporcjonalna do stężenia analitu. 

Sygnał naszej czarnej kawy

Całą skomplikowaną teorię zespół prof. Hendona wykorzystał do rozdzielenia parametrów kawy, których dotąd nie potrafił rozróżnić żaden refraktometr – mocy naparu (% TDS) oraz stopnia prażenia ziaren (w skali Agtron). Pierwotnym zamierzeniem autorów było śledzenie procesów utleniania kofeiny i kwasów chlorogenowych. Odkryto jednak, że w standardowej kawie te anality tworzą agregaty, co powoduje zatarcie pojedycznych pików redoks. W konsekwencji zespół zdecydował się na pomiaru ciągłej odpowiedzi elektrochemicznej całej mieszaniny. Podczas pomiaru na powierzchni platynowej elektrody tuż przed momentem wydzielania się gazowego wodoru następuje osadzanie się jonów wodoru pochodzących ze słabych kwasów w kawie (tzw. zjawisko HUPD). Przepływający przy tym ładunek elektryczny jest wprost proporcjonalny do mocy naparu, czyli wskaźnika TDS. Podczas rejestracji cykli sygnał słabnie o ok. 1/3 między pierwszym a drugim skanem, ponieważ na platynie adsorbują się składniki kawy. Jest to efekt nieodwracalnej pasywacji (z ang. foulingu) elektrody, czyli jej zużycia.

Mikrowaga kwarcowa potwierdziła przyrost masy na powierzchni elektrody – HPLC-MS wykryła wśród adsorbatów kofeinę, a obliczenia DFT wskazały, że z platyną może się wiązać także kwas 5‑kawoilochinowy (główny kwas chlorogenowy kawy). Naukowcy stwierdzili, że stopień prażenia ziaren jest bezpośrednio powiązany ze zużyciem elektrody. Ciemniej palone kawy silniej tłumią sygnał (przy jednakowym TDS w najjaśniejszej kawie przepłynęło o ok. 50% więcej ładunku niż w ciemniejszych). Dzięki temu, że ładunek reaguje inaczej na stężenie, a inaczej na palenie, z jednego wykresu woltamperometrycznego badacze mogą wyciągnąć współrzędne na tej płaszczyźnie i precyzyjnie rozdzielić moc naparu od stopnia wypalenia ziarna. W ślepej próbie czterech partii tej samej kawy z brytyjskiej palarni pomiar TDS nie odróżnił próbek, natomiast CV wyróżniła statystycznie właśnie partię odrzuconą podczas kontroli jakości. Metoda nie mierzy wprost goryczki czy aromatu, lecz parametry, które je kształtują. Wyodrębnienie efektu palenia wymagało jednak rozcieńczenia próbek do wspólnego TDS.

Elektroanalityka

Woltamperometria, czyli pomiar prądu przy kontrolowanej zmianie potencjału, to tylko jedna z gałęzi elektroanalizy, która znalazła tak niekonwencjonalne zastosowanie. Amperometria rejestruje prąd przy stałym potencjale, a tak działa większość glukometrów. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna analizuje odpowiedź układu na niewielkie sinusoidalne pobudzenie w szerokim zakresie częstotliwości, ujawniając m.in. opór przeniesienia ładunku i zmiany na powierzchni elektrody.

Podsumowanie

Praca zespołu Hendona pokazuje, że nawet klasyczna CV wydobywa z żywności informację niedostępną dla refraktometru. Pozostają przy tym jednak otwarte kwestie. Zależność ładunku od stopnia palenia wyznaczono dla jednej kawy kolumbijskiej i może ona różnić się między kawami. Ponadto pomiary prowadzono na laboratoryjnej elektrodzie platynowej, więc przeniesienie metody na tanie czujniki wymaga osobnej walidacji, ale samo podejście, tj. odczyt całej mieszaniny zamiast pojedynczych markerów, może się sprawdzić w kontroli jakości innych złożonych produktów spożywczych.