ANALISIS DE LAS ISOTERMAS DE DESORCION DURANTE EL PROCESO DE TOSTION DEL CAFÉ VERDE/ANALYSIS DESORPTION ISOTHERMS OF ROASTING DURING GREEN COFFEE

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RESUMEN

Antecedentes: Uno de los principales procesos de transformación del café es el tostado. En el grano de café verde ocurren una serie de cambios físicos y químicos producto de la tostión del grano. En el proceso de tostado del café se ocasionan además de la disminución de la actividad de agua, una variación de color en el grano, cambios en la densidad, cambios en el volumen y transformaciones generadas producto de la reacción de Maillard. Objetivo: En este estudio se identificó la relación que posee la disminución de la actividad de agua y las isotermas de desorción del café, con la variación del color en el producto. Métodos: Dicho estudio se realizó en el laboratorio de café de la Universidad de Caldas, tomando como materia prima café arábiga tipo excelso variedad Castillo. Se determinaron variables termodinámicas como: humedad y actividad de agua y variables sensoriales como el color. Se evaluaron cuatro modelos de isotermas para la tostión de café y se evidencio el comportamiento de las isotermas por cada modelo. Las Variables resultantes se evaluaron mediante los modelos de BET, GAB, Henderson y Caurie. Resultados: Se evidencio que el modelo de GAB fue el que tuvo un mejor ajuste a las isotermas de desorción del café con un coeficiente de correlación de 0.9818. A medida que pasa el tiempo de tostión el grano se torna en un color canela; cuando el café está alrededor de los 170° adquiere este color. El color a su vez, tiene relación con características sensoriales. Conclusiones: El orden de mayor índice de correlación para los modelos de GAB, Henderson y Caurrie que representan el comportamiento del fenómeno de tostión del café verde se encuentra dentro de un valor mayor que 0.95. El modelo BET reporta un índice menor a 0.95. El comportamiento de las isotermas de tostión del café corresponde a tipo III las cuales hacen referencia a sólidos no porosos, los cuales son considerados como sólidos multicapa. El color tiene una relación directa con el porcentaje de merma, la humedad o actividad de agua y las propiedades sensoriales como: el aroma y el sabor.

Palabras clave: Actividad de agua, Humedad en equilibrio, Isotermas, Desorción, Tostión.

ABSTRACT

Background: A major transformation processes of coffee is roasted. In the green coffee bean occur a series of physical and chemical product of roasting the grain changes. In the coffee roasting process further cause of decreasing water activity, color variation in the grain density changes, changes in the volume and product transformations generated Maillard reaction. Objectives: In this study the relationship that has the decreased activity of water and desorption isotherms coffee with color variation in the product was identified. Methods: The study was conducted in the laboratory of coffee Universidad de Caldas, on the feedstock type Arabica coffee variety exalted Castillo. Moisture and water activity and sensory variables as color: as thermodynamic variables were determined. Isotherms four models were evaluated for roasting coffee and behavior of the isotherms evidenced by each model. The outcome variables were assessed using models of BET, GAB, Henderson and Caurie. Results: evidenced that the GAB model was the one that had the best fit to the desorption isotherms of coffee with a correlation coefficient of 0.9818. As time goes by roasting the grain becomes a tan; when coffee is around 170 acquires this color. The color in turn is related to sensory characteristics. Conclusions: higher order correlation index for models GAB, Henderson and Caurrie representing the behavior of the phenomenon of roasting green coffee is within a value greater than 0.95. The BET model reports a rate lower than 0.95. The behavior of the isotherms of roasting coffee corresponds to Type III which refer to non-porous solids, which are considered as multilayer solid. The color is directly related to the percentage of decline, moisture or water activity and sensory properties such as fragance and flavor.

Keywords: Activity of water, humidity balance, isotherms, desorption, Roasting.

(ProQuest: ... denotes formulae omitted)

INTRODUCCIÓN

El café es uno de los principales productos colombianos cultivados, procesados, comercializados y consumidos a nivel mundial; por esta razón es un producto de gran influencia económica.

La tostión es una operación en la cual, por medio de la aplicación de calor al grano durante un determinado periodo de tiempo, se promueve la transferencia de calor convectiva y conductiva, además de un proceso de transferencia de masa difusiva; durante esta operación lo que se busca es una pirolisis controlada, en la cual la acción del calor permite desnaturalizar las proteínas que reaccionan con los carbohidratos y potencializar los compuestos volátiles; algunas características sensoriales que se ven influenciadas son: aroma, fragancia, sabor, acidez y amargor, que son fundamentales al momento de preparar y consumir una buena taza de café, las cuales definen la impresión global de dicha taza. Durante este proceso disminuye la humedad del grano y por tanto la actividad de agua, ésta pérdida en el tiempo se puede visualizar con las isotermas de desorción de agua que relacionan, a temperatura constante, el contenido en humedad de equilibrio con la actividad del agua en el producto (1). Por ello se determinaron los parámetros de los modelos de Bet , ecuación 1; modelo de Henderson, ecuación 2; modelo de Caurie ecuación 3 y modelo de Gab, ecuación 4, para determinar cuál de los modelos representa con mayor fidelidad la pérdida de agua en el proceso de tostión. En la medida en que transcurre la perdida de agua y se da el proceso de pirolisis el color del café tostado cambia, se quiere conocer el parámetros de color L* o luminosidad, para diferentes grados de tostión y si existe correlación entre este y el proceso de desorción del agua

...Ecuación 1

Donde

w0 = Humedad del producto correspondiente a una capa monomolecular de agua adsorbida.

C = constante característica del material relacionada al calor desprendido en el proceso.

we = Humedad en el equilibrio.

aw = Actividad de agua.

...Ecuación 2

Donde:

F y N = parámetros característicos del proceso

...Ecuación 3

r = Constante del material.

ws = Contenido de humedad de seguridad que proporciona la máxima estabilidad al alimento deshidratado durante el almacenamiento.

...Ecuación 4

Donde:

wo = Humedad del producto correspondiente a la situación en que los puntos de adsorción primarios están saturados por moléculas de agua.

C = Constante de Guggenheim, características del producto.

K = Factor de correlación.

MATERIALES Y MÉTODOS:

En las instalaciones del laboratorio de café adscrita a la facultad de ingeniería de la Universidad de Caldas, se tomó una muestra de 3 kilogramos de café pergamino variedad castillo, procedente de una finca (la aurora) del alto de la mina del municipio de Palestina (Caldas). El proceso de trilla se realizó con un trillador Quantik con capacidad de 250 gramos de café pergamino. Al material trillado se le retiró la pasilla y los granos defectuosos (mordido, manchado, etc.). Se tamizó según el procedimiento descrito en la Norma Técnica Colombiana (2), se utilizó el café retenido por encima de la malla número 14 según indica la resolución número 5 del 2002 (3) para café excelso (4). Se tomaron 72 muestras de 100 ± 1 gramos, se tostaron durante 12 minutos, tomando muestras cada 30 ± 3 segundos, por triplicado, en un tostador marca Quantik modelo TC 150 AG, con 100 w de potencia a 180 grados centígrados de temperatura por 12 minutos según NTC-2442 (5); la humedad de los granos verdes se determinó según protocolo de la Norma Técnica Colombiana NTC- 2325 (6) en estufa marca Dies modelo TH115FM. densidad al café verde (3). Las muestras tostadas se enfriaron y se pesaron en una balanza analítica marca kern modelo PCB2500-2, capacidad 2500 g ± 0,0001. Las muestras se molieron en un molino Grind Master modelo 810 a molienda gruesa según NTC 3534 (7). Se verifico el tamaño de partícula por medio de la serie de mallas tayler según norma técnica colombiana NTC 2441 (8), se determina la refractancia con un colorímetro digital marca Quantik, modelo IR-800, con el fin de establecer la luminosidad. La actividad de agua se determinó en un equipo marca Aqualab. Los datos obtenidos se trataron para trabajar con valores medios.

RESULTADOS

En las figuras 1, 2, 3 y 4 evidencian el comportamiento de la desorción del agua en el proceso de tostión de café verde.

Se evaluaron cuatro modelos de isotermas para la tostión de café y se evidencio el comportamiento de las isotermas por cada modelo. En la tabla 2 se puede observar los coeficientes de correlación de cada uno de los modelos y las constantes para cada uno de ellos.

DISCUSIÓN

Se evidencia que el modelo de GAB fue el que tuvo un mejor ajuste con un coeficiente de correlación de 0.9818, cabe resaltar que el tratamiento de datos de este modelo se realizó por medio de un polinomio de segundo grado, mientras que los otros tres modelos se realizaron por medio de regresión lineal; matemáticamente el modelo de GAB debía presentar un mejor ajuste, además de ser el modelo que más variables involucra en el cálculo. El modelo de BET figura 1 a pesar de tener el coeficiente de correlación más bajo, comparándose con el modelo de GAB, que fue el de mejor ajuste, presenta una tendencia similar a este modelo durante todo el proceso siendo su We similar en cada Aw. En el modelo de BET y en el modelo de GAB la constante C no supera el valor de 2, por tanto se puede deducir que las isotermas son de tipo III, en concordancia con Martinez N., et al (8): Para valores de C<2 la isoterma será del tipo III, ya que las coordenadas del punto de inflexión aparecen negativas o imaginarias, es decir sin sentido. Además dicen que: la isoterma será de tipo III cuando la relación de C con el calor de sorción sea pequeño, es decir es muy próximo a . Las isotermas de tipo III corresponden a una desorción física en multicapas donde la constante de equilibrio de la primera capa es igual que para las siguientes (no se observa diferencia entre el deshidratado de la primera capa y del resto).

En la figura 5 podemos observar como el grado de tostación del café depende del tiempo de residencia del café en el tostador, por tanto a mayor tiempo tenemos un valor menor en luminosidad, lo que corresponde a un grado de tostación mayor; según NTC3534 (7) el café comercial presenta cuatro grados de tostación, dependiendo del rango en el que se situé la luminosidad reportada. En la figura 5 podemos observar además, como el café pasa por todos los grados de tostación, empezando por un nivel fuera de los rangos reportados en la tabla 2, que es cuando el café puede considerarse con menos humedad a la inicial, pero todavía crudo y no es posible su comercialización para consumo directo.

A medida que pasa el tiempo el grano se torna en un color canela; como afirma Giner, 2015 (9) cuando el café está alrededor de los 170° adquiere este color y es en este momento que se produce la primera crepitación o crujido, que es más o menos intensa en función del tipo y frescor del café. También los azúcares empiezan a caramelizarse adquiriendo un color más oscuro a medida que pasa el tiempo, esto se evidencia en la figura 5. El color a su vez, tiene relación con características sensoriales como el aroma y el sabor, el grados de tueste óptimo es el tueste medio, ya que es en este que los aromas y sabores son más intensos.

CONCLUSIONES

En orden de mayor índice de correlación los modelos de GAB, Henderson y Caurrie y representan con aceptación el comportamiento del fenómeno dado el valor mayor que 0.95, el modelo BET reporta un índice menor a 0.95.

El comportamiento de las isotermas corresponde a tipo III las cuales hacen referencia a sólidos no porosos, los cuales son considerados como sólidos multicapa.

El modelo de GAB por ser un polinomio de segundo grado presenta mejor ajuste a los datos y por tanto es el mejor tratamiento matemático para analizar las curvas de tostión del café. Además es un modelo que tiene en cuenta el tipo y estructura del alimento que se está procesando.

El color posee una relación directa con el porcentaje de merma, la humedad o actividad de agua y las propiedades sensoriales como: el aroma y el sabor.

Aunque el color puede evolucionar rápidamente, la evolución de las características sensoriales deseables no se da hasta aproximadamente después de los 600 segundos.

No se observó una relación entre el comportamiento de las isotermas y la humedad inicial de 12 % dado que fue la misma para todas las muestras.

Con este trabajo se Permite además determinar tiempos, temperaturas y presiones de trabajo durante el secado o tostión del café, con el fin de disminuir el consumo de energía y por tanto los costos de procesamiento y transformación.

Todos los alimentos adsorben y desorben de formas diferentes, debido a que la eliminación del agua del alimento, depende de la estructura y composición de este, siendo estas quienes definen si existe mayor o menor resistencia a la transferencia de masa difusiva.

References

REFERENCIAS

1. Grau, Navarrete, Boix, Maupoey. Termodinámica y cinética de sistemas alimento entorno. Valencia, España: (s.n). 1998.

2. Norma Técnica Colombiana NTC 5248: 2013. Café verde. Análisis del tamaño. Tamizado manual y mecánico.

3. FNCC, 2002., Resolución No 5. Por medio de la cual se modifica la Resolución No. 02 de 2002 del Comité Nacional de Cafeteros, Junio 6

4. Norma Técnica Colombiana. NTC 5086. 2002. Requisitos técnicos y ensayos. Tamices de ensayo de tejido de alambre.

5. Norma Técnica Colombiana. NTC 2442. 2004. -02-25 Café Tostado en grano y/o molido. Determinación del grado de tostión.

6. Norma Técnica Colombiana NTC 2325: 2005. Café verde. Determinación de la pérdida de masa a 105°C. INCONTEC 8. Andres A. M., Martinez N., Chiralt A., Fito P.

7. Norma Técnica Colombiana NTC 3534. (s.f.). Café tostado, en grano o molido.

8. Norma Técnica Colombiana NTC 2441: 2011. Café tostado y molido. Método para la determinación de tamaño de partícula por distribución granulométrica. INCONTEC.

9. Giner J. (s.f.). (Revisada 16/06/15).Tueste del café. http://www. forumdelcafe.com/pdf/F-37_Tueste_de_cafe.pdf .