Evaluación por TGA y FTIR de los cambios de composición

Revista Colombiana de Física, vol. 45, No. 3, 2013
Evaluación por TGA y FTIR de los cambios de composición producidos por la
tostión en granos de café
TGA and FTIR Evaluation of Composition Changes Produced by Roasting of Coffee Beans
W. Rivera1*, X. Velasco1, C. A. Rincón1
1
Departamento de Física, Universidad del Cauca
Recibido noviembre 11 de 2011; aceptado noviembre 12 de 2013.
Resumen
Este trabajo presenta los resultados del análisis de granos de café orgánico cultivado en el departamento del Cauca - Colombia. Los granos estudiados son de la especie Coffea arabica cultivada en suelos de montaña a una altitud media de 1500
msnm. Se utilizó termogravimetría (TGA) y espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en
inglés) para caracterizar polvos de café obtenidos por molienda tanto de granos verdes como de granos tostados a temperaturas de 210 a 230 0C. El propósito principal de esta investigación es determinar las transformaciones que produce la tostión y asociar los cambios a patrones de identificación de grupos funcionales por espectroscopia FTIR. Los picos de absorción infrarroja, que evidencian los cambios principales por efecto de la tostión del café, se presentan en los 880 cm -1 por
bandas anoméricas de carbohidratos, en 1160, 1250 y 1380 cm-1 por acción del ácido clorogénico y en la región de 1500 a
1800 cm-1con un pico mayor en 1650 cm-1 por la presencia de cafeína. Los espectros TGA muestran que la transformación
del café se acelera a partir de los 200 0C y presenta un punto singular a los 218 0C, siendo este el valor de temperatura crítico para obtener café de excelente calidad.
Palabras clave: FTIR, TGA, café, tostión.
Abstract
This work presents the results of analysis of organic coffee beans grown in the department of Cauca – Colombia. The beans
studied are of the species Coffea arabica grown in mountain soils, at a medium altitud of 1500 meters above sea level.
Thermogravimetry (TGA) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy were used to characterize the coffee powders obtained by grounding green coffee beans, as well as roasted beans at a temperature ranging from 210 to 230 0C. The main
purpose of this investigation is to determine the transformations produced by roasting and to associate the changes to patterns of identification of functional groups by FTIR spectroscopy. Infrared absorption peaks evidencing the main changes
produced by roasting are present at 880 cm-1 , by anomeric bands of carbohydrates, at 1160, 1250, and 1380 cm-1 due to
action of the chlorogenic acid, and in the region of 1500 to 1800 cm -1 with a outstanding peak at 1650 cm-1 due to the presence of caffeine. The TGA spectra show that the transformation of the coffee is accelerated starting at 200 0C, and it exhibits a singular point at 218 0C, this point is the critical temperature value to obtain excellent quality coffee.
Keywords: FTIR, TGA, coffee, roasting.
* [email protected]
Este trabajo es publicado por la Sociedad Colombiana de Física y distribuido en open access según los términos de la licencia Creative
Commons A ttribution.
Rev. Col. Fís., 45, No. 3, 2013
1. Introducción
El café es uno de los productos de mayor importancia comercial en
el mundo, siendo Colombia un país productor y exportador con un
importante consumo interno. El grano de café contiene diversos
componentes (agua, carbohidratos, lípidos, aminoácidos, ácidos
alifáticos, cafeína, y minerales) que dan lugar a complejas reacciones durante el proceso de tostión y le confieren sobresalientes
propiedades organolépticas.
Entre los más de 800 compuestos volátiles que han sido identificados en el café tostado aproximadamente 40 son los responsables
del aroma característico del café [1]. El tostado del café se realiza
entre los 200 y 240 0C a diferentes períodos de tiempo dependiendo de las propiedades que se deseen para el producto final. El
proceso de tostión produce en el grano de café una pérdida de
materia en forma de CO2, vapor de agua y compuestos volátiles;
también genera la transformación o degradación de azúcares,
polisacáridos, aminoácidos y ácidos clorogénicos, lo que resulta en
un incremento de lípidos y ácidos orgánicos [2]. Si bien se tiene
establecido que los productos formados durante la tostión son
altamente dependientes del perfil de temperatura-tiempo [3], las
reacciones que producen cientos de compuestos aún no han sido
completamente explicadas [4].
La calidad del café es evaluada mediante pruebas sensoriales o por
medio de técnicas fisicoquímicas. Aunque muchos productores y
procesadores del grano siguen apegados a las formas tradicionales
de catación, hay un interés creciente de aplicar técnicas avanzadas
de caracterización de materiales para entender en detalle las propiedades del café y lograr altos estándares de calidad.
Los estudios sobre las propiedades y la composición del café han
dado lugar a un gran número de publicaciones científicas pero aún
subsisten múltiples aspectos por explicar. La cromatografía de
gases (GC), la espectrometría de masas (MS) y la cromatografía
líquida de alto rendimiento (HPLC) han sido utilizadas para determinar las características del café, así como las reacciones que
ocurren durante la tostión y sus efectos sobre el color, aroma y
sabor del grano y de sus preparaciones [5,6,7]. Si bien las técnicas
mencionadas han permitido sobresalientes avances, los análisis
mediante GC, MS, y HPLC demandan un instrumental robusto y
largos tiempos de dedicación en el laboratorio. En contraste la
espectroscopia FTIR es una técnica analítica rápida y accesible,
que proporciona abundante información cualitativa y cuantitativa
acerca de la composición de las muestras; y ha demostrado ser una
herramienta poderosa para el análisis cuantitativo y directo de
muestras reales complejas, como los alimentos, sin la necesidad de
etapas previas de separación [8]. Un buen ejemplo de ello, es la
determinación mediante espectroscopia FTIR de la presencia de
cafeína en refrescos, té y café [9].
Por otra parte en la medida que se desea correlacionar los cambios
de composición que experimenta el café en el proceso de tostión,
resulta recomendable analizar la variación de peso que experimenta el café cuando es sometido a un proceso térmico. El análisis por
TGA ofrece información cuantitativa sobre la composición y la
estabilidad térmica de los materiales y en este estudio se utiliza
para determinar con precisión los puntos de singularidad donde se
presentan los cambios más notables del café por efecto de la exposición al calor.
En este trabajo se estudian los cambios de composición que experimentan los granos de café orgánico a causa del proceso de tostión
en un rango de 210 °C a 230 °C. Mediante TGA y espectroscopia
FTIR se examinan en detalle los cambios de peso y de composición que presentan los granos de café verde o tostado como consecuencia del proceso térmico al que se someten. Por medio del
TGA se determinan los puntos de singularidad en el proceso
térmico y el intervalo de temperatura donde el café sufre mayor
descomposición, y con la espectroscopia FTIR se determinan las
bandas de mayor actividad vibracional.
Se aplicó el criterio de ajuste por funciones de Lorentz a los espectros FTIR para evaluar los cambios en las bandas más representativas del café, como la tensión de grupos carbonilos en la región de
1620-1780 cm-1 que detecta la presencia de cafeína y aceites responsables del aroma y el sabor del café.
2. Materiales y métodos
En este trabajo se emplearon muestras de café orgánico provenientes de plantas de la especie Coffea arabica cultivadas en terrenos
de montaña cerca a los 1500 msnm en varias fincas del departamento del Cauca, al suroeste de Colombia. El café orgánico se
obtuvo de cultivos que satisfacen los parámetros establecidos por
la Federación Nacional de Cafeteros de Colombia para la siembra,
cultivo, recolección y beneficiado del café. Para preparar cada
muestra se utilizaron medidas de granos de café verde de 220 g
con un contenido de humedad de alrededor del 12%. De cada
medida se reservó una porción de 20 g de café verde y el resto se
sometió al proceso de tostión a temperaturas de 210 a 230 °C por
períodos de tiempo de 3 a 10 minutos hasta obtener granos del
color deseado de acuerdo con la escala Agtron/SCCA presentada
en la Figura 1. Estos discos utilizados en la industria del café
permiten graduar 8 niveles de tostión para controlar las características organolépticas de cada tueste [10]. Los granos de café tostado
se sometieron a un proceso estándar de molienda industrial para
obtener polvos que se usaron directamente en el análisis TGA y en
la preparación de pastillas con una base de KBr para el análisis por
FTIR. Para obtener los polvos de café verde se necesitó de un
raspado con bisturí debido a la dureza del material que no permite
el uso del molino industrial y para evitar la contaminación que
produce el uso de un molino rotatorio de bolas.
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W. Rivera et al.: Evaluación por TGA y FTIR…
tostado a 210 0C mientras que las curvas S1b y S2b corresponden a café
tostado a 230 °C.
El estudio por TGA se realizó con un Q5OO de la TA Instruments
con una velocidad de calentamiento de 10 °C/min en el rango de
temperatura de 24 a 800 °C en una atmósfera de N2. Para el análisis de las características vibracionales en el infrarrojo se utilizó un
espectrofotómetro FTIR Nicolet Model IR200 operando en el
rango de 400 a 4000 cm-1. Para el procesamiento de los datos y los
resultados experimentales se usaron los siguientes programas
Fityk, Omnic, y OriginPro 8.
Absorbancia relativa
Fig. 1. Fotografía de los discos de color Agtron/SCCA y matices de color
de granos de café tostado. Los discos permiten graduar ocho niveles de
tostión.
Las curvas DTGA de la Figura 2 muestran un máximo común en
289 °C, tanto para las muestras de café verde (S1verde y S2verde)
como para las del producto tostado (S1a, S1b, S2a y S2b). Mientras el espectro DTGA para el café tostado presenta una evolución
monótona entre 170 y 289 °C, propia de un material que ya ha
sufrido transformaciones y cambios previos por efecto de la temperatura, el café verde revela una alta y rápida descomposición con
un notable cambio en la curva DTGA entre 208 y 230 °C que
corresponde a la transformación de sacarosa y producción de
aceites. Se observa además que el espectro DTGA del café verde
presenta un punto de inflexión o singularidad en 218 °C que revela
el punto exacto en el cual se verifican importantes reacciones que
le confieren propiedades distintivas de aroma y sabor al café. La
conducta exhibida por los espectros DTGA explica el por qué en
reportes previos se asevera que se requieren temperaturas de tostión superiores a los 200 0C para lograr los cambios químicos,
físicos y estructurales que producen las propiedades sensoriales
deseadas del café [11].
3. Resultados y discusión
Los espectros TGA de las distintas muestras analizadas de dos
tipos de café orgánico (S1 y S2) presentan reproducibilidad pero
marcadas diferencias entre las curvas características del café verde
(S1verde y S2verde) con las del café tostado a 210 0C (S1a, S2a) y
230 0C (S1b y S2b). Sin embargo, resulta difícil apreciar diferencias entre los espectros TGA de las muestras de café tostado a
diferentes temperaturas. Por el contrario si se comparan las curvas
resultantes de la primera derivada del espectro TGA (DTGA),
como las que presenta la Figura 2, se pueden identificar con precisión los puntos o regiones donde la pérdida de peso o descomposición de las muestras es más rápida y también resultan apreciables
las diferencias espectrales relacionadas con los diferentes valores
de temperatura usados para tostar el café.
6
S1a
S1b
S1verde
5
4
3
2
1
0
Derivada del peso (%/min)
Derivada del peso (%/min)
6
S2a
S2b
S2verde
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
700
800
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperatura (°C)
S1 VERDE
S2 VERDE
S1
S2
800
1600
2400
3200
4000
-1
Número de onda ( cm )
Fig. 3. Espectros de absorción FTIR de las muestras de café verde (curvas
S1verde y S2verde) y de café sometido a tostión por 5 minutos a 220 0C
(curvas S1 y S2).
Los espectros FTIR de las muestras de café orgánico presentan de
manera consistente actividad en los mismos valores de número de
onda con una dispersión de ± 7 cm-1 tal como se puede observar en
la Figura 3. El café orgánico estudiado presenta una firma FTIR de
absorción en los siguientes valores: 880 cm-1 (bandas anoméricas
de carbohidratos), 1030 cm-1 a 1060 cm-1 (tensión C-O-C), 1160
cm-1 con 1250 cm-1 y 1380 cm-1 (denota presencia de ácido clorogénico), 1450 cm-1 (posible anillo aromático C=C o doblamiento
C-H), 1650 cm-1 y 1740 cm-1 (absorción por estiramiento carbonilo
C = O), 2860 cm-1 y 2920 cm-1 (tensión C-H). La región del espectro FTIR de 1500 a 1800 cm-1 , que registra la actividad de absorción por estiramiento carbonilo que permite detectar la presencia
de cafeína con un pico mayor en 1650 cm-1 , es la que presenta un
cambio más notable entre el café verde y el tostado.
Fig. 2. Derivada del espectro TGA (DTGA) de muestras de dos variedades
de café orgánico (S1 y S2). Las curvas S1verde y S2verde corresponden a
las muestras de café verde; las curvas S1a y S2a son propias del café
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Los espectros DTGA muestran que el café verde presenta una
descomposición rápida después de 200 °C hasta los 289 °C. La
temperatura de 218 0C es un punto crítico en los acontecimientos
térmicos del proceso de tostado del café. La deconvolución por
funciones de Lorentz del espectro FTIR en la región de absorción
de 1500 a 1800 cm-1 permite evaluar los cambios de composición
que experimenta el café a consecuencia de la tostión. En particular
por medio del cálculo de relaciones de área de las funciones de
Lorentz centradas en 1650 cm-1 y 1745 cm-1 se pudo establecer la
pérdida de cafeína en el proceso de tostión. Según nuestra investigación, la obtención de café de alta calidad es altamente dependiente del proceso térmico y la transición que experimenta el grano
alrededor de los 218 °C.
Agradecimientos
Esta investigación fue financiada por la Universidad del Cauca
bajo el contrato VRI proyecto 2695. W. Rivera agradece también a
CAFICAUCA por la colaboración y el suministro de los granos de
café.
Fig. 4. Curvas de ajuste por funciones de Lorentz de los espectros de
absorción FTIR de dos tipos de café orgánico verde (S1verde y S2verde).
Las curvas con los picos más sobresalientes están centradas en 1650 y
1745cm-1.
Referencias
[1]
Fig. 5. Espectros de absorción FTIR de dos muestras de café orgánico
tostado a 220 °C. La deconvolución mediante funciones de Lorentz muestra el predominio de 5 actvidades vibracionales con los picos de mayor
altura en 1656 y 1745 cm-1.
El ajuste por funciones de Lorentz de los espectros FTIR en la
región de absorción de 1500 a 1800 cm-1, Fig. 4 y Fig. 5, revela
que mientras en el café verde prevalecen 3 picos o actividades
vibracionales, en el café tostado se registran 5; esto es un indicativo de las múltiples transformaciones que experimenta el café
durante el proceso térmico por encima de los 200 °C con la consecuente producción y liberación de nuevos componentes. Los cálculos de las deconvoluciones realizados con OriginPro 8 muestran
altos niveles de precisión en los ajustes de las curvas FTIR, con
coeficientes de determinación R2 superiores a 0,99.
H.D. Belitz, W. Grosch, P. Schieberle P. Coffee, Tea, Cocoa
in Food Chemistry. Springer, Berlín, 2009, pp. 938-970.
[2] R.A. Buffo, C. Cardelli-Freire, Flavour and Fragrance
Journal, 19, 2004, pp. 99.
[3] D.J. Lyman, R. Benck, S. Dell, S. Merle, J. MurrayWijelath, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 51,
2003, pp. 3268.
[4] A.S. Franca, J.C.F. Mendonça, S.D. Oliveira, LWT, 38,
2005, pp. 709.
[5] L.F. Huang et al., Analytica Chimica Acta, 588, 2007,
pp.216.
[6] J.S. Ribeiro et al., Analytica Chimica Acta, 634, 2009, pp.
172.
[7] R. Eloy-Dias et al., Journal of Agricultural and Food Chemistry, 58, 2010, pp. 88 .
[8] R. Briandet, E.K. Kemsley, R.H. Wilson, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 44, 1996, pp. 170
[9] M.M. Paradka, J. Irudayaraj, Journal of Food Science, 67,
2002, pp. 2507.
[10] H.T. Jiménez-Ariza, Diezma B. y Correa E. C. “Un buen
café: una simbiosis de color y sabor”, en: Actas del IV Congreso de Estudiantes de Ciencia, Tecnología e Ingeniería
Agronómica (2011 Universidad Politécnica de Madrid), pp.
123.
[11] J. Baggenstoss, L.Poisson, R. Kaegi, R. Perren, F. Escher,
Journal of Agricultural and Food Chemistry, 56, 2008, pp.
5836.
Al comparar la deconvolución de los espectros para las muestras
de café se pone en evidencia la disminución del contenido o la
proporción de cafeína por efecto de la tostión, puesto que la relación de área entre el pico centrado en 1650 cm -1 (actividad principal de absorción de la cafeína) con el área del pico centrado en
1745 es del orden de 8 a 10 para el café verde y es inferior a 2 para
la muestra de café tostado.
4. Conclusiones
208