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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
Facultad de Ingeniería Química
Carrera de Ingeniería Química
Trabajo de Titulación
Previa a la obtención del Título de:
INGENIERO QUÍMICO
Tema:
“Extracción de Taninos de la borra
de café mediante lixiviación
soxhlet‟‟
Presentado por:
DIEGO ALEJANDRO CALLE CHUMO
JEAN CARLOS MENDOZA SAN MARTIN
Tutor:
Ing. Quím. Carlos Rafael Calle Jara Msc.
Guayaquil – Ecuador
2017
II
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
Facultad de Ingeniería Química
Carrera de Ingeniería Química
ACTA DE APROBACIÓN
Trabajo de Titulación
TEMA:
“Extracción de Taninos de la borra
de café mediante lixiviación
soxhlet‟‟
Presentado por:
DIEGO ALEJANDRO CALLE CHUMO
JEAN CARLOS MENDOZA SAN MARTIN
Aprobado en su estilo y contenido por el Tribunal de
Sustentación:
………………………………………………………………
Ing. Quím. Carlos Calle Jara
Director del Proyecto
Presidente del Tribunal Profesor del Tribunal o Miembro
__________________ ______________________
Profesor del Tribunal o Miembro
__________________________
Fecha de finalización Proyecto de Investigación: Abril 2017
III
DERECHOS DE AUTORIAS
Nosotros, Diego Alejandro Calle Chumo y Jean Carlos
Mendoza San Martin, declaramos bajo juramento que el
trabajo aquí descrito, es de nuestra autoría, que no ha sido
previamente presentado para ningún grado o calificación
profesional, y que hemos consultado las referencias
bibliográficas que se incluye en este documento.
A través de la presente declaración cedemos los derechos de
propiedad intelectual a la Universidad de Guayaquil Facultad
de Ingeniería Química, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual y su reglamento.
_________________________ __________________________
Diego Alejandro Calle Chumo Jean Carlos Mendoza San Martin
C.I. 0922201736 C.I. 0917230047
IV
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR
Yo, Ing. Quím. Carlos Rafael Calle Jara, certifico haber
tutelado el trabajo de titulación „„Extracción de Taninos de la
borra de café mediante lixiviación soxhlet‟‟, que ha sido
desarrollada por, Diego Alejandro Calle Chumo y Jean
Carlos Mendoza San Martin, previa la obtención del título de
Ingeniero Químico, de acuerdo al Reglamento para la
elaboración de tesis de grado de tercer nivel de la
Universidad de Guayaquil, Facultad de Ingeniería Química.
______________________________
Ing. Carlos Rafael Calle Jara Msc.
CI: 0907201313
V
AGRADECIMIENTO
Doy gracias a Dios y a la Virgen María por darme mucho
entusiasmo, inspiración y concentración para realizar este
proyecto de titulación.
Agradezco a la empresa Solubles Instantáneos Compañía
Anónima (S.I.C.A) por la apertura en sus instalaciones y
facilitarnos la borra de café, para nuestro proyecto de titulación.
Agradezco al Laboratorio de Microbiología de la Facultad de
Ingeniería Química, donde realizamos la parte experimental de
nuestro proyecto.
Diego Alejandro Calle Chumo
VI
DEDICATORIA
Dedico este proyecto de titulación a mis padres Carlos Calle y
Fátima Chumo, que gracias a su esfuerzo y dedicación, fueron
mi inspiración para culminar este proyecto.
A mis hermanos Estefanía y Rafael, que por sus grandes
consejos, cumplí mis metas.
Agradezco a mi enamorada, por motivarme en todo el trayecto
de este proyecto.
A mis abuelitos, por contagiarme de su felicidad para no caer
en desanimo, en especial a mi abuelita Enriqueta.
Diego Alejandro Calle Chumo
VII
AGRADECIMIENTO
Mi profundo agradecimiento a mis padres, Natalia y Darwin,
quienes a lo largo de mi vida han sido un soporte incondicional
y fuente de energía para el alcance de mis metas.
A mi compañero de tesis Diego, quien con constancia y
conocimientos fue de ayuda invaluable durante el proceso,
desarrollo y redacción en este proyecto de titulación.
Finalmente, mi tutor Carlos Calle, quien presto sus
conocimientos, consejos y dirección en el desarrollo de este
proyecto de titulación.
Jean Carlos Mendoza San Martin
VIII
DEDICATORIA
El presente proyecto de titulación está dedicado al esfuerzo,
amor, cariño, trabajo y sobre todo los sacrificios de mis padres
Natalia y Darwin, quienes no han escatimado sus fuerzas para
dejarme como herencia una excelente educación.
A Diego, quien con mucho esfuerzo y entrega, colaboró de
manera conjunta en este proyecto de titulación.
Jean Carlos Mendoza San Martin
IX
ÍNDICE GENERAL DERECHOS DE AUTORIAS .................................................................... III
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR ................................................................. IV
AGRADECIMIENTO .................................................................................. V
DEDICATORIA ......................................................................................... VI
AGRADECIMIENTO ................................................................................ VII
DEDICATORIA ....................................................................................... VIII
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................... XIII
ÍNDICE DE GRÁFICAS ......................................................................... XIV
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................. XV
RESUMEN ............................................................................................ XVII
ABSTRACT .......................................................................................... XVIII
INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1
CAPITULO I ............................................................................................... 2
EL PROBLEMA .......................................................................................... 2
1.1 Enunciado del problema ................................................................... 2
1.2 Antecedentes del problema .............................................................. 2
1.3 Planteamiento del Problema ............................................................ 3
1.4 Formulación del problema ............................................................... 3
1.5 Delimitación del estudio ................................................................... 3
1.6 Objetivos .......................................................................................... 4
1.6.1 Objetivo General ........................................................................ 4
1.6.2 Objetivo Específicos ................................................................... 4
1.7 Justificación del problema ................................................................ 4
1.8 Hipótesis ........................................................................................... 5
CAPITULO II .............................................................................................. 6
X
MARCO TEÓRICO .................................................................................... 6
2.1.- El Café ........................................................................................ 6
2.2.- Historia del Café en el Mundo ..................................................... 6
2.3.- Mercado Mundial del Café .......................................................... 7
2.4.- Producción de café por continente .............................................. 9
2.5.- Principales productores de café en el mundo ........................... 10
2.6.- Variedades de café ................................................................... 12
2.7.- Historia del Café en Ecuador .................................................... 14
2.8.- Producción de café en Ecuador ................................................ 15
2.9.- Partes del grano de café ........................................................... 16
2.10.- Proceso de Transformación de Café Cereza a Café Verde .... 17
2.10.1.- Floración .............................................................................. 18
2.10.2.- Recolección o cosecha de las cerezas de café .................... 18
2.10.3.- Recepción de café cereza en el beneficio ............................ 19
2.10.4.- Método Húmedo ................................................................... 19
2.10.5.- Método Seco ........................................................................ 24
2. 11.- Proceso de Transformación de Café Verde a Café Soluble ... 25
2.11.1.- Recepción, limpieza y almacenamiento ............................... 25
2.11.2.- Torrefacción ......................................................................... 26
2.11.3.- Desgasificación .................................................................... 30
2.11.4.- Mezcla de variedades de café .............................................. 30
2.11.5.- Molienda ............................................................................... 30
2.11.6.- Extracción ............................................................................ 31
2.11.7.- Intercambiador de calor ........................................................ 33
2.11.8.- Centrifuga ............................................................................. 33
2.11.9.- Concentración de extracto ................................................... 34
XI
2.11.10.- Secado Final ..................................................................... 34
2.12.- Materia Prima .......................................................................... 37
2.13.- Borra de Café .......................................................................... 41
2.13.1.- Características Físicas de la Borra de Café ......................... 41
2.13.2.- Composición Química de la Borra de Café .......................... 42
2.13.3.- Aceite de la Borra de Café ................................................... 42
2.13.4.- Características Organolépticas del Aceite de la Borra de Café
.......................................................................................................... 43
2.14.- Reacciones Químicas en el Proceso de Torrefacción del Café
.......................................................................................................... 43
2.15.- Compuestos Fenólicos ............................................................ 46
2.15.1.- Ácido Clorogénico presente en el Café ................................ 47
2.16.- Taninos ................................................................................... 48
2.16.1.- Clasificación de taninos ........................................................ 49
2.16.2.- Propiedades Fisicoquímicas de los Taninos ........................ 50
2.16.3.- Propiedades Biológicas de los Taninos ................................ 50
2.16.4.- Aplicaciones de los taninos en la industria ........................... 50
2.16.5.- Taninos en la Borra de Café ................................................ 51
2.16.6.- Extracción de Taninos .......................................................... 51
2.17.- Lixiviación Soxhlet ................................................................... 52
2.18.- Rotavapor ................................................................................ 52
2.19.- Espectrofotometría .................................................................. 52
2.19.1.- Espectrofotometría UV - VISIBLE ........................................ 53
2.20.- Catequinas .............................................................................. 53
CAPITULO III ........................................................................................... 55
METODOLOGIA EXPERIMENTAL .......................................................... 55
XII
3.1.- Recolección de la Borra de Café ............................................... 55
3.2.- Secado ...................................................................................... 55
3.3.- Molienda .................................................................................... 56
3.4.- Extracción ................................................................................. 56
3.5.- Concentración del extracto: ....................................................... 57
3.6.- Borra de café después de la extracción .................................... 57
3.7.- Diagrama del Proceso ............................................................... 58
3.8.- Balance de materia ................................................................... 59
3.8.1.- Secado ................................................................................... 59
3.8.2.- Molienda ................................................................................. 59
3.8.3.- Extracción Soxhlet .................................................................. 59
3.8.4.- Rotavapor ............................................................................... 60
3.8.5.- Desolventizador...................................................................... 60
3.9.- Pruebas Cualitativas de Identificación de Taninos .................... 61
3.9.1.- Prueba con Acetato de Plomo ................................................ 61
3.9.2.- Prueba con Gelatina-Sal ........................................................ 62
3.9.3.- Prueba con Cloruro Férrico .................................................... 62
3.9.4.- Resultados de las Pruebas Cualitativas ................................. 63
3.10.- Pruebas de Cuantificación de Taninos .................................... 63
3.10.1.- Determinación Espectrofotométrica (UV-VIS) de catequinas 64
CAPITULO IV ........................................................................................... 69
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 69
4.1.- Conclusiones ............................................................................. 69
4.2.- Recomendaciones..................................................................... 70
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................ 71
ANEXOS
XIII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla N°1. Producción mundial de café .............................................. 8
Tabla N°2 Producción de café por continentes (millones de kg al año)
............................................................................................................ 9
Tabla N°3 Principales productores de café en el mundo en el año
2015. ................................................................................................. 11
Tabla N°4 Países productores según su variedad de café ................ 13
Tabla N°5. Comparación entre el Café Robusta y el Café Arábica. .. 13
Tabla N° 6. Composición Química del Grano de Café. ..................... 14
Tabla N°7. Composición Química del Café Verde y del Café Tostado
Base Seca (% Peso) ......................................................................... 28
Tabla N°8. Cambios Físicos durante la Torrefacción ........................ 29
Tabla N°9. Composición del Extracto del Café (Base Seca) ............. 32
Tabla N°10. Subproductos generados en el proceso de beneficio e
industrialización de 1000g de café cereza......................................... 38
Tabla N°11. Aplicaciones de los diferentes subproductos del café ... 40
Tabla N°12. Composición Química de la Borra de Café ................... 42
Tabla. N°13. Propiedades Físicas y Químicas del Aceite de la Borra
de Café. ............................................................................................. 43
Tabla N°14. Lecturas obtenidas – curvas de calibración ................... 66
Tabla N°15. Resultados de la Espectrofotometría UV-VIS ................ 67
XIV
ÍNDICE DE GRÁFICAS
Grafico N°1. Producción mundial de café ............................................ 8
Grafico N°2 Producción de café por continente ................................... 9
Grafico N°3 Producción mundial de café en 2015 ............................. 10
Grafica N°4. Producción de café en Ecuador en el año 2015 .......... 16
Grafico N°5. Método húmedo y método seco del proceso de
transformación de café cereza a café verde ...................................... 25
Grafica N°6. Subproductos en el proceso del café. ........................... 38
Grafica N°7. Composición química de los granos de café verde y
tostados. ............................................................................................ 45
Grafica N°8. Cantidad de aceite extraído en función del tiempo. ...... 57
Grafica N°9. Estándar (catequina) ..................................................... 67
Grafica N°10. Muestra de aceite de café ........................................... 68
XV
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura N°1. Variedades de café ........................................................ 12
Figura N°2. Producción de café en las provincias de Ecuador .......... 15
Figura N°3. Partes del fruto de café. ................................................. 17
Figura N°4. Floración de cerezas de café ......................................... 18
Figura N°5. Recolección manual de las cerezas de café .................. 18
Figura N°6. Beneficio de café ............................................................ 19
Figura N°7. Método húmedo para procesar café ............................... 20
Figura N°8. Maquina despulpadora y granos sin pulpa ..................... 20
Figura N°9. Fermentación del mucílago en tanques de hormigón con
agua. ................................................................................................. 21
Figura N°10. Canales de correteo para lavado del grano y grano sin
mucílago. ........................................................................................... 22
Figura N°11. Secado al sol en patios de concreto y Secado mecánico
con aire caliente ................................................................................ 23
Figura N°12. Máquina trilla para remover el pergamino .................... 23
Figura N°13. Secado de las cerezas de café .................................... 24
Figura N°14. Impurezas separadas del grano y Silos de
almacenamiento ................................................................................ 26
Figura N°15. Tostador de café y cambios en la apariencia del grano
de café en la tostación. ..................................................................... 27
Figura N°16. Molino de rodillos y café molido. .................................. 31
Figura N°17. Equipo de extracción y Extracto de café ...................... 32
Figura N°18. Intercambiadores de calor de placas ............................ 33
Figura N°19. Centrífuga .................................................................... 33
Figura N°20. Evaporadores al vacío .................................................. 34
XVI
Figura N°21. Equipo de secado por atomización y Café soluble
atomizado .......................................................................................... 35
Figura N°22. Equipo de secado por liofilización y café liofilizado. ..... 37
Figura N°23. Subproductos en el proceso del café. .......................... 39
Figura N°24. Borra de Café ............................................................... 41
Figura N°25. Principales reacciones químicas en la torrefacción de los
granos de café, y los compuestos generados. .................................. 44
Figura N°26. Estructura química de un fenol. .................................... 46
Figura N°27. Clasificación de los Compuestos Fenólicos ................. 46
Figura N°28. Estructura química del ácido clorogénico ..................... 47
Figura N° 29. Estructura química del Catecol y Pirogalol .................. 48
Figura N°30. Taninos Hidrolizables ................................................... 49
Figura N°31. Taninos Condensados. ................................................ 49
Figura N°32. Espectrofotómetro UV-VIS ........................................... 53
Figura N°33. Reacción de tanino con acetato de plomo ................... 61
Figura N°34. Reacción de tanino con gelatina-sal ............................. 62
Figura N°35. Reacción de tanino con cloruro férrico ......................... 63
XVII
RESUMEN
En el presente proyecto se consideró la borra de café como posible fuente
de Taninos. Nuestra materia prima fue abastecida por la empresa
“Solubles Instantáneos Compañía Anónima (S.I.C.A.)”, ubicada en la
ciudad de Guayaquil. Esta empresa se dedica a la producción de café
soluble instantáneo desechando aproximadamente 8.500 toneladas de
borra de café cada año. Mediante este proyecto se logrará una utilización
y aprovechamiento de la borra de café, extrayendo compuestos fenólicos
como son los Taninos. Las muestras de borra de café serán sometidas a
un control de su contenido de humedad, la cual puede hacer cambiar las
características físicas y químicas de las muestras sino son secadas a su
debido tiempo. La borra de café inicialmente contiene una humedad de
80-85%. Dicha muestra se la expuso al sol en el horario de 9:30 hasta las
17:00 horas, para disminuir su contenido de humedad a un mínimo de
5%, y mediante un proceso de molienda se redujo las partículas de la
muestra a un tamaño entre 250 y 500µm. El secado y molienda se realizó
para aumentar el rendimiento de extracción. La extracción del aceite de la
borra de café se la efectuó en el equipo de Lixiviación Soxhlet, aplicando
como solvente Alcohol Etílico (Etanol) al 96%, y luego se determinó el
efecto del tiempo de extracción sobre el rendimiento de la extracción, y la
concentración de fenoles o taninos en el extracto. Posteriormente el
extracto pasó a un Rotavapor o Rotaevaporador donde se separó el
solvente y el extracto de la borra de café. Al extracto de la borra de café
se le realizaron pruebas cualitativas y cuantitativas para demostrar la
presencia de compuestos fenólicos o taninos, y para distinguir el tipo de
tanino presente en la borra. En las pruebas cualitativas se realizaron
reacciones de coloraciones y de precipitación para demostrar la presencia
de taninos, y luego se cuantifico el contenido de taninos de la muestra por
medio de Espectrofotometría UV.
Palabras clave: borra de café, extracción soxhlet, espectrofotometría uv,
fenoles, taninos, catequinas.
XVIII
ABSTRACT
In this project coffee grounds were considered as a possible source of
Tannins. Our raw material was supplied by the company "Instant
Solubles Anonymous Company (S.I.C.A.)", located in the city of
Guayaquil. This company is dedicated to the production of instant soluble
coffee discarding approximately 8,500 tons of coffee grounds each year.
Through this project will be achieved a use and exploitation of the coffee
grounds, extracting phenolic compounds such as tannins. The samples of
coffee grounds will be subjected to a control of their moisture content,
which can change the physical and chemical characteristics of the
samples, but are dried in due time. The coffee grounds initially contain a
humidity of 80-85%. This sample was exposed to the sun in the hours of
9:30 am until 5:00 p.m., in order to reduce its moisture content to a
minimum of 5%, and by means of a grinding process the particles of the
sample were reduced to a size Between 250 and 500μm. Drying and
milling was performed to increase the extraction yield. The extraction of
the oil from the coffee grounds was carried out in the Soxhlet Leaching
equipment, applying 96% Ethyl Alcohol (Ethanol) as solvent, and the effect
of the extraction time on the yield of the extraction was determined, and
The concentration of phenols or tannins in the extract. Subsequently the
extract passed to a Rotavapor or Rotaevaporador where the solvent and
the extract of the coffee grounds were separated. The extract of the coffee
grounds were qualitative and quantitative tests to demonstrate the
presence of phenolic compounds or tannins, and to distinguish the type of
tannin present in the sludge. In the qualitative tests, staining and
precipitation reactions were performed to demonstrate the presence of
tannins, and then the tannin content of the sample was quantified by UV
spectrophotometry.
Key words: coffee grounds, soxhlet extraction, uv spectrophotometry,
phenols, tannins, catechins.
1
INTRODUCCIÓN
Desde la antigüedad las plantas han sido fuente de taninos para el ser
humano, y un recurso importante para el curtido de pieles y para la
curación de enfermedades, debido a sus resultados.
Se ha conocido la presencia de taninos en la cáscara y en la pulpa del
café, porque se han realizado procesos para la extracción de estos
compuestos, pero no se ha demostrado su presencia en la borra de
café, pasando por desapercibido este subproducto del proceso del
café, para dicha finalidad.
Mediante este proyecto se plantea extraer Taninos de la Borra del
Café, utilizando métodos de extracción, identificación, diferenciación, y
cuantificación del contenido de taninos, mediante pruebas cualitativas
de coloración y precipitación, y pruebas cuantitativas en
espectrofotometría UV – VIS.
En el capítulo I se indica el problema, el cual consiste en la gran
cantidad de desperdicio de Borra de Café, en las industrias
cafetaleras, generando de esta forma una nueva fuente de Taninos.
En el capítulo II, damos a conocer todo lo concerniente al origen del
café, y su procesamiento, en el cual se genera la borra como
subproducto. También se plantea el método de extracción aplicado en
este proyecto para la separación de Taninos de la Borra.
En el capítulo III, se describe la Metodología experimental, aplicada
para lograr el objetivo plantado anteriormente.
Y finalmente en el Capítulo IV, analizamos las conclusiones y sus
respectivas recomendaciones, a considerar, para la aplicación de
dicho proyecto.
2
CAPITULO I
EL PROBLEMA
1.1 Enunciado del problema
Extracción de taninos de la borra de café mediante lixiviación soxhlet.
1.2 Antecedentes del problema
El proceso de cultivo e industrialización del café, es un proceso muy
cuidadoso y complejo ya que cualquier alteración puede modificar el
sabor de la bebida en una forma no deseada.
En todo el proceso de transformación del fruto de café en bebida, solo
se aprovecha una mínima cantidad del fruto, ya que en su mayoría son
subproductos del proceso, como la pulpa, el mucílago, el pergamino y la
borra, motivo por el cual se busca alternativas para aprovechar estos
subproductos e insertarlos en la cadena de producción, o también como
materia prima para otros procesos.
La borra de café es un subproducto del proceso de las empresas de
café soluble, la cual ha sido utilizada como abono orgánico, fertilizante,
quemada para producir calor; y para producir nuevos productos como
biodiesel, medios de cultivo para la producción de hongos comestibles,
colaborando con la calidad ecológica del proceso de café.
Dada la astringencia que presenta el café, se estudió la posibilidad de
extraer compuestos fenólicos como los taninos.
3
1.3 Planteamiento del Problema
1. La empresa Solubles Instantáneos C.A (S.I.C.A.) fundada en 1960, se
dedica a la fabricación de dos tipos de café: freeze dried (granulado) y
spray dried (polvo), los cuales por cumplir con excelentes requisitos de
calidad le han dado el buen prestigio que posee en la actualidad, de tal
manera que exporta sus productos en abundancia a nivel mundial, pero lo
preocupante para la empresa es que no se da el máximo aprovechamiento
de la borra de café, ya que ésta es desechada.
2.
3. Este proyecto consiste en utilizar este subproducto para perfeccionar el
proceso de producción de la empresa, aprovechando la borra de café para
extraer sus compuestos fenólicos como son los taninos, por lo que se debe
determinar las propiedades físico-químicas de la borra de café y el tiempo
de extracción de los compuestos fenólicos, de acuerdo al solvente
utilizado.
4.
5. El solvente que vamos a utilizar es alcohol etílico debido a su bajo
costo y facilidades de desolventación. Luego buscamos optimizar el
proceso de acuerdo a las variables de extracción.
6.
1.4 Formulación del problema
¿Cómo aprovechar la borra de café en la extracción de taninos?
1.5 Delimitación del estudio
El proyecto de titulación se realizará en las instalaciones del
laboratorio de microbiología de la Facultad de Ingeniería Química de la
Universidad de Guayaquil, ubicada en la Cdla. Universitaria "Salvador
Allende", Malecón del Salado entre Av. Delta y Av. Kennedy.
4
Coordenadas: 193°S Guayas, Guayaquil. (2°10ˊ41” S 79°53ˊ46”O) -20 m de altitud
1.6 Objetivos
1.6.1 Objetivo General
Extraer taninos de la borra de café, e identificar el tipo existente.
1.6.2 Objetivos Específicos
Extraer el aceite de la borra de café mediante Lixiviación Soxhlet.
Caracterizar los taninos mediante reacciones químicas de identificación
y diferenciación.
Cuantificar el contenido de taninos presentes en el aceite de la borra,
mediante Espectrofotometría UV.
1.7 Justificación del problema
El presente proyecto de investigación consiste en aprovechar el
subproducto de las industrias cafetaleras, que es la borra de café,
aportando a su reutilización, extrayendo un producto de calidad como son
5
los taninos, logrando así disminuir los residuos sólidos y reducir los
impactos ambientales adversos.
A nivel mundial, por lo general se extraen taninos a partir de las
cortezas de los arboles lo que implica la tala de los mismos siendo no
amigables con el medio ambiente, de tal forma que vamos a coadyuvar
con una nueva fuente de taninos.
Lo interesante de nuestro proyecto consiste en ofrecer un producto de
calidad poco conocido en el mercado mediante un proceso intermediario,
el cual no altera a las comúnmente aplicaciones que se le da a la borra de
café, anteriormente mencionadas.
1.8 Hipótesis
La borra de café puede ser aprovechada para la extracción de taninos.
6
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1.- El Café
El café consiste en un grano, fruto de un arbusto llamado Cafeto, del
cual proviene su nombre. El café es uno de los productos naturales de
mayor complejidad, por su historia, su comercio y su riqueza química,
conformado por ácidos orgánicos, aldehídos, cetonas, esteres,
hidrocarburos de bajo peso molecular, aminoácidos, cafeína,
carbohidratos, proteínas, trigonelina, lípidos, glucósidos y minerales; los
cuales al momento de que el café es procesado, y posteriormente
mediante una infusión, contribuyen con el sabor y aroma característico,
convirtiéndolo en una de las bebidas más consumidas en el mundo.
2.2.- Historia del Café en el Mundo
El nombre del Café proviene del Cafeto, un arbusto silvestre que
crecía en Kaffa, provincia en Etiopia, localizada en el Cuerno de África, de
donde es su origen. La historia cuenta que fue descubierto por un pastor
etíope, que observó los efectos que producía los frutos del Cafeto (granos
de café) en sus cabras. Dio a conocer estos frutos a unos monjes árabes,
quienes prepararon un brebaje de muy mal sabor, arrojando los granos a
la hoguera, que al quemarse despedían un olor agradable, por lo que
prepararon la infusión con granos tostados, obteniendo una bebida con
aroma y exquisito sabor.
El primer consumo de café como alimento, es atribuido a una tribu en
Etiopia, llamada Oromo. Los aborígenes usaban los granos crudos de
café enrollándolos con manteca, formando una bola del tamaño de una
pelota de beisbol, y las mordían como un dulce, que servía como alimento
para viajes largos. (OIC, 2016)
7
En Meca se implementaron los primeros establecimientos de café con
el nombre de “kaveh kanes‟‟ y vertiginosamente por todo el mundo árabe.
Los árabes no exportaban los granos fértiles de café, para que no se
cultiven en ningún otro lugar, aunque si al grano de café se le quitan las
capas exteriores, deja de ser fértil.
Muchos intentaron llevarse los frutos del cafeto, hasta que los
holandeses en 1616 lograron llevarse algunos frutos y los cultivaron en
sus tierras. Los holandeses comenzaron a cultivar café en la India, y en
1699 llevaron café a Batavia, donde ahora es Indonesia. En poco tiempo
se convirtieron en la principal fuente exportadora de café a Asia y Europa.
El café llega a Norteamérica en 1668 y después de ese año se
abrieron locales de café en Nueva York, Filadelfia, Boston y varias
ciudades. En 1720 gracias a un grupo de la Marina Francesa el cafeto se
empezó a cultivar en las Américas. En el año 1825, América Central y del
Sur se ubicaba en camino a su destino cafetero, logrando en la actualidad
ser los principales comerciantes de café a nivel mundial. (OIC, 2016).
En los años 1930, el café en grano evoluciona al café soluble, de la
mano de la empresa suiza Nestlé.
2.3.- Mercado Mundial del Café
El café además de generar empleo a millones de personas en todo el
mundo por su cultivo, procesamiento, comercio y transporte, es uno de los
productos más consumidos, después del petróleo, y es una fuente de
ingresos de divisas para muchos países y para países subdesarrollados
representa casi el 85% de sus ingresos.
La producción mundial de café ha progresado desde el año 2000 hasta
el 2015 aumentando más del 25%, datos que se muestran en la siguiente
tabla.
8
Tabla N°1. Producción mundial de café
Producción mundial de café
Año Millones de kg
2000 6.813
2001 6.481
2002 7.366
2003 6.303
2004 6.989
2005 6.695
2006 7.716
2007 7.198
2008 7.753
2009 7.387
2010 8.039
2011 8.215
2012 8.877
2013 8.797
2014 8.483
2015 8.602
Fuente: Organización Internacional del Café (OIC), 2016
Grafico N°1. Producción mundial de café
Elaborado por : CALLE Y MENDOZA
6.000
6.500
7.000
7.500
8.000
8.500
9.000
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
M
i
l
l
o
n
e
s
d
e
k
g
Año
Producción mundial de café
9
2.4.- Producción de café por continente
América es el continente de mayor producción de café en el mundo,
con la participación de Brasil (país de mayor producción de café) y otros
países como Colombia, Honduras y México. Asia tuvo una evolución en
su producción quitando a África del segundo lugar en 1996 hasta la
actualidad, con el aporte de Vietnam.
A pesar de que América representa casi el 60% de la producción
mundial de café, éste aumento de producción ha sido por el trabajo de
Asia, principalmente en Vietnam, que en estos 15 años ha logrado
incrementar su producción. (OIC, 2016).
Tabla N°2 Producción de café por continentes (millones de kg al año)
Continente 2000 2005 2010 2011 2012 2013 2014 2015
América 3.979 4.038 4.860 4.716 5.136 5.029 4.840 4.782
Asia 1.752 1.776 2.159 2.449 2.698 2.742 2.630 2.747
África 1.019 805 968 966 1.000 976 965 1.024
Oceanía 63 76 52 84 43 50 48 49
Fuente: Organización Internacional del Café (OIC), 2016
Grafico N°2 Producción de café por continente
Elaborado por : CALLE Y MENDOZA
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
M
i
l
l
o
n
e
s
d
e
k
g
Año
Produccion de café por continente
América
Asia
África
Oceanía
10
Según datos estadísticos de la Organización Internacional del Café
(OIC), en el año 2015 hubo una producción de 8.602millones de kg de
café a nivel mundial, cantidad que representa la producción de los cuatro
continentes.
En 15 años el continente asiático ha dejado de representar una
producción del 25,72% a nivel mundial, para aumentar su producción a un
31,94%. Por otro lado, pese a que América ha mantenido su primer
puesto como productores de café a nivel mundial y aumentar su
producción, disminuyó su porcentaje a nivel mundial de 58,41% al
55,59%.
Grafico N°3 Producción mundial de café en 2015
Elaborado por : CALLE Y MENDOZA
2.5.- Principales productores de café en el mundo
El principal productor de café en el mundo es Brasil, seguido por
Vietnam que últimamente alcanzo el segundo lugar. En la siguiente tabla
se muestra los principales países productores de café a nivel mundial en
el año 2015 con su respectivo porcentaje de producción, donde Ecuador
se sitúa entre los 20 países de mayor producción de café.
América 55,59%
Asia 31,94%
África 11,90%
Oceanía 0,57%
Producción mundial de café en 2015
11
Tabla N°3 Principales productores de café en el mundo en el año
2015.
Principales productores de café en el mundo en el año 2015
Puesto País Producción (en miles
de kg)
%
producción
mundial
1 Brasil 2.594.100 30.16%
2 Vietnam 1.650.000 19.18%
3 Colombia 810.000 9.42%
4 Indonesia 660.000 7.67%
5 Etiopía 384.000 4.46%
6 India 350.000 4.07%
7 Honduras 345.000 4.01%
8 Uganda 285.000 3.32%
9 México 234.000 2.72%
10 Guatemala 204.000 2.37%
11 Perú 192.000 2.23%
12 Nicaragua 130.000 1.52%
13 Costa de Marfil 108.000 1.26%
14 Costa Rica 89.520 1.04%
15 Kenia 50.000 0.58%
16 Tanzania 48.000 0.56%
17 Papúa Nueva Guinea 48.000 0.56%
18 El Salvador 45.701 0.53%
19 Ecuador 42.000 0.49%
20 Camerún 34.200 0.40%
Fuente: Organización Internacional de Café. 2016
12
2.6.- Variedades de café
Existen dos variedades de café: Café Arábica (Coffea Arábica) y Café
Robusta (Coffea Canephora).
Figura N°1. Variedades de café
La variedad arábica representa aproximadamente 75% de la
producción mundial de café. Los granos de café arábica tienen una forma
aplastada y alargada, son ovalados con una raya divisoria curva, de ligera
forma de „„S‟‟. Esta variedad posee cualidades que generan una bebida
aromática y afrutada, aportando un mejor sabor, mayor calidad y contiene
la mitad de cafeína que el café robusta. La producción de café arábica es
desde marzo hasta octubre.
La variedad robusta representa aproximadamente 25% de la
producción mundial de café. Los granos de café robusta se caracterizan
por una forma más redondeada y circular, y una raya divisoria rectilínea.
Es la variedad que aporta un sabor más fuerte, amargo y le da cuerpo a la
bebida (más densa), generando una bebida de menor calidad pero con
mayor cafeína. La producción de café robusta es desde febrero hasta
noviembre. (Jaramillo, 2015).
Los países que producen las distintas variedades de café, se muestran
en la siguiente tabla.
13
Tabla N°4 Países productores según su variedad de café
Variedad de café Países productores
Arábica Brasil, Colombia, Bolivia, Honduras, Ecuador, Venezuela,
Etiopia, México, Kenia, Tanzania, Jamaica, Paraguay,
Papúa Nueva Guinea, Guatemala, Perú, Nicaragua,
Haití, El Salvador, Panamá, Costa Rica, Cuba y Puerto
Rico
Robusta Costa de Marfil, Camerún, Nigeria, Zaire, Uganda,
Vietnam, Angola, India, Brasil, Ecuador, Tailandia,
Trinidad y Tobago, Ghana, Indonesia y Filipinas
Fuente: Organización Internacional del Café, 2016
Las variedades de café tienen características diferentes tanto sus
características físicas, como en su cultivo, el precio comercial, la
producción por arbusto, acidez y sabor en la bebida, y se describen en la
siguiente tabla.
Tabla N°5. Comparación entre el Café Robusta y el Café Arábica.
ROBUSTA ARÁBICA
Zona de cultivo (sobre
nivel del mar) 200 – 700 m 900 – 2000 m
Producción por planta 1,5 – 2,5 kg/año 0,5 – 1,0 kg/año
Precio del grano Bajo Alto
Forma del grano Redondo Ovalado
Color del grano Pálido Verde azulado
Densidad Aparente 0,68 g/cc 0,60 g/cc
Acidez Baja Alta
Sabor de la bebida Amargo Afrutado
Fuente: Organización Internacional del Café, 2016
14
La composición química del grano de café varía según el tipo de
grano. A continuación se muestra la composición química del grano de
café según su variedad.
Tabla N° 6. Composición Química del Grano de Café.
COMPONENTE QUIMICO ARÁBICA (%) ROBUSTA (%)
Polisacáridos 50,80 56,40
Sacarosa 8,00 4,00
Azúcares reductores 0,10 0,40
Proteínas 9,80 9,50
Aminoácidos 0,50 0,80
Cafeína 1,20 2,20
Trigonelina 1,00 0,70
Lípidos 16,20 10,00
Ácidos alifáticos 1,10 1,20
Ácidos clorogénicos 6,90 10,40
Minerales 4,20 4,40
Compuestos aromáticos trazas trazas
Fuente: ILLY, A. 2015
2.7.- Historia del Café en Ecuador
El café ecuatoriano es uno de los mejores producidos en América del
Sur y de los más demandados en Europa, destacándose en
exportaciones así como el cacao y el banano.
Desde la provincia de Manabí provienen los primeros cultivos de café
en el año 1860. Las primeras exportaciones surgieron de pequeñas
plantaciones situadas en el cantón Jipijapa, que con el pasar de los años
15
lograron un mercado mucho mayor, y con la provincia de Loja impulsaron
la producción nacional (MAG, 2015).
El principal exportador de café en la actualidad es Manta, captando
aproximadamente el 70% de la producción nacional con destino a EE.UU,
Holanda, Alemania, Italia, Inglaterra y Suecia.
Ecuador posee una gran capacidad productiva, convirtiéndose en los
pocos países que producen las dos variedades de café, debido a su
ubicación geográfica. Cerca del 55% de la producción está representada
por la variedad arábica y el resto por la variedad robusta.
2.8.- Producción de café en Ecuador
Figura N°2. Producción de café en las provincias de Ecuador
Fuente: COFENAC, 2013
La producción de café en Ecuador en su mayoría se localiza en
Manabí, representando cerca del 35%, seguido por Loja, Orellana,
16
Sucumbíos, Los Ríos y otras provincias como El Oro, Zamora Chinchipe y
Esmeraldas.
Grafica N°4. Producción de café en Ecuador en el año 2015
Fuente: MAGAP, 2015
A continuación se muestran las variedades de café y sus zonas de
producción:
Arábica: Manabí, Loja, Zamora Chinchipe, El Oro, Imbabura,
Carchi, Galápagos.
Robusta: Sucumbíos, Orellana, Napo, Los Ríos, Pichincha y
Guayas.
Industrializado (soluble): Guayas y Manabí.
2.9.- Partes del grano de café
El café cereza consiste en el fruto de café maduro que está
conformado por las siguientes capas:
0
2000
4000
6000
8000
10000
1200011330
4746
3238 2802
1639
8481
To
nela
das/a
ño
Provincia
Producción
Manabí
Loja
Orellana
Sucumbios
Los Rios
Otros
17
Figura N°3. Partes del fruto de café.
La cereza del café o fruto de café maduro está conformado por las
siguientes partes:
Pulpa: parte de la cereza del café, eliminada durante el
despulpado y está conformada por el exocarpio (epidermis) y la
mayor parte del mesocarpio.
Mucilago o mesocarpio: es la parte carnosa del fruto de café, es
de aproximadamente 0.5mm de espesor (tiene contenidos
importantes de azucares y pectinas).
Pergamino o cisco: es una membrana o envoltura frágil y dura
que rodea el grano de café (endocarpio).
Grano de café o albumen: término comercial que se designa a la
semilla de la planta del café, denominado también café verde.
2.10.- Proceso de Transformación de Café Cereza a Café
Verde
El proceso del café consiste en despojarlo de sus películas exteriores
(cáscara, pulpa, mucílago y pergamino) que cubren al grano de café. A
continuación se describe el proceso que sufre el café cereza para su
transformación en café verde, según la Federación Nacional de Cafeteros
de Colombia, 2015.
18
2.10.1.- Floración
Entre los primeros 550 - 600 días se da la primera floración y luego de
240-280 días, se da el primer fruto maduro, es decir, demora
aproximadamente dos años y medio la producción de la cereza de café.
Figura N°4. Floración de cerezas de café
2.10.2.- Recolección o cosecha de las cerezas de café
Por lo general se recolecta en las fechas de noviembre a febrero,
aunque en ciertas regiones puede ser de septiembre a diciembre. La
recolección de las cerezas se desarrolla manualmente para evitar daños
mecánicos a las plantas. A cada persona se le asigna como mínimo una
hilera de café, de una longitud de 20 a 50 metros, recolectando las
cerezas en cajuelas, y cada cajuela contiene 12,9kg de cereza de café.
Se recogen únicamente los granos en estado de madurez completa, es
decir, los de color rojo o amarillo rojizo, ya que los verdes dañan el sabor
del café. Aproximadamente se recoge entre 3.000 a 21.000 kg de café por
hectárea.
Figura N°5. Recolección manual de las cerezas de café
19
2.10.3.- Recepción de café cereza en el beneficio
La transformación de café cereza a café verde se denomina
beneficiado, y el lugar donde se realiza este proceso se llama beneficio.
En el beneficio se procesa el café el mismo día que se recoge, para evitar
que sus jugos naturales se sobre fermenten. No deben de pasar más de
10 horas después de la recolección, ya que la cereza comienza un
proceso de fermentación inadecuado.
Figura N°6. Beneficio de café
A partir de este punto se puede procesar las cerezas de café por dos
métodos: el método húmedo o el método seco.
2.10.4.- Método Húmedo
Las características de este método son las siguientes: se incrementan
los aromas de la bebida de café, se disminuye su amargor, cuerpo más
ligero y acidez más intensa.
Consiste en sumergir las cerezas de café en agua de 4 a 6 horas,
hasta que se hinchan y reblandecen. Este proceso además permite
separar por densidad las cerezas verdes (no maduras), que hayan
pasado desapercibidas en la recolección, como también remover
impurezas.
20
Figura N°7. Método húmedo para procesar café
Despulpado
Se lo realiza usando una despulpadora, o también llamada
chancadora, que son máquinas que pelan el café, presionando las
cerezas contra una camisa de cobre y una pechera de hule (planchas fijas
y móviles), y se retira la capa roja que cubre al grano de café (cáscara o
pulpa). La pulpa del grano se transporta a una fosa para su deposición y
descomposición, con la finalidad de usarse en el cultivo como
complemento nutricional y mejorador del suelo (abono orgánico).
En esta etapa hay que tener en cuenta que las despulpadoras estén
bien graduadas y ajustadas para realizar un eficiente despulpado y evitar
granos quebrados o mal pelados. Los granos desprovistos de la cáscara o
pulpa, están cubiertos por una sustancia viscosa conocida como mucílago
o miel del café, llamado así porque al tacto se siente pegajoso como la
miel.
Figura N°8. Maquina despulpadora y granos sin pulpa
21
Fermentación
Este proceso también denominado descomposición de los azúcares,
consiste en remover la capa de mucílago del grano, y se lo realiza
colocando el grano de café sin pulpa en tanques o depósitos de hormigón
con agua en reposo, donde se lo deja en inmersión durante 18 a 35
horas, dependiendo del espesor de la capa de mucílago y de la
concentración de las enzimas.
La capa viscosa o el mucílago que cubre al pergamino, se
descompone y se disuelve en el agua mediante un lavado posterior. Este
proceso termina hasta que la textura viscosa del mucílago adquiera un
tacto más áspero. El café en sí no es el que se fermenta, sino que son las
enzimas pépticas, que permiten separar el mucilago del pergamino.
Figura N°9. Fermentación del mucílago en tanques de hormigón con
agua.
Lavado
Es el proceso en donde se realiza la remoción del mucílago y restos de
pulpa del grano de café. Se hace con agua limpia en el mismo tanque de
fermentación o en canales de correteo, con la ayuda del equipo llamado
hidrociclón, que permite lograr una mayor eficiencia. Los subproductos en
este proceso son el mucílago y el agua utilizada en el lavado. El mucílago
se utiliza para enriquecer a la pulpa y en ocasiones como alimento para
animales, y parte del agua recircula en el proceso.
22
En esta fase el café se denomina café pergamino, porque aún posee la
capa de pergamino.
Figura N°10. Canales de correteo para lavado del grano y grano sin
mucílago.
Secado
El grano de café pergamino sale del lavado con una humedad entre 50
a 60%. Este proceso se puede realizar de dos formas: secado solar o
secado mecánico.
El secado solar consiste en utilizar la energía solar y el viento, para
evitar cambios físicos y químicos en el grano de café. Se debe revolver
los granos de café al menos cuatro veces al día para evitar un secado
disparejo. Se realiza sobre patios de concretos con raíles que pueden
cerrase rápidamente en caso de lluvia. Se seca el café hasta que tenga
un grado de humedad de 12 a 13%, lo cual nos asegura que no ocurran
fermentaciones indeseadas durante el transporte. El secado dura
aproximadamente de 8 a 15 días, dependiendo de las condiciones
climáticas.
El secado mecánico, consiste en secar artificialmente con maquinarias
especiales y existen diferentes tipos de secado mecánico, que se
diferencian por su tamaño (una o más cámaras), por la forma del silo
(rectangular o circular), y por su fuente de calor (electricidad, combustible
o aire caliente). Comúnmente se realiza en silos donde se introduce una
23
corriente de aire seco y caliente, a una temperatura de 45 a 50°C,
impulsado por un ventilador, proceso que demora entre 25 y 30 horas.
Este proceso de secado es muy importante, ya que si no se seca lo
suficiente, será susceptible a bacterias y hongos, y secándolo demasiado,
el café se vuelve frágil y rompible, pudiendo deteriorarse en la trilla.
Figura N°11. Secado al sol en patios de concreto y Secado mecánico
con aire caliente
Trilla
Consiste en un proceso para eliminar la última capa denominada
pergamino o cisco, que cubre al grano de café. Se realiza en zarandas
vibratorias que por medio de fricción, remueven el pergamino separándolo
del grano, obteniendo un grano limpio, denominado café verde.
Figura N°12. Maquina trilla para remover el pergamino
24
Café verde
En este estado el café ya es estable al medio ambiente y se
almacenan en sacos que transpiren, que lo mantengan seco y limpio. La
denominación café verde no corresponde al grado de madurez del fruto,
sino a su apariencia previa al proceso industrial de torrefacción, donde el
grano adquiere su color café característico.
2.10.5.- Método Seco
Consiste en secar la cereza entera al sol sin remover la cáscara. Este
secado dura aproximadamente de 20 a 28 días, o también se puede
acelerar el secado, secando con máquinas, pero con un previo secado al
sol (4 días como mínimo). En el secado, las capas exteriores del grano de
café se endurecen, y son fácilmente retiradas en un proceso de trillado,
retirando todas las capas, es decir, removiendo la cáscara o pulpa, el
mucílago, y el pergamino, obteniendo el grano de café verde.
Este método evita los procesos de despulpado y fermentación, pero
también provoca una pérdida de los aromas y el traspaso de los azúcares
al grano, produciendo bebidas con cuerpo alto, baja acidez y sabor
azucarado.
Hay que tener en cuenta que por el método seco solamente se puede
procesar las cerezas de la variedad robusta, ya que la arábica es más
delicada y no soporta esta proceso, deteriorándose y produciendo una
bebida de mal sabor.
Figura N°13. Secado de las cerezas de café
25
Grafico N°5. Método húmedo y método seco del proceso de
transformación de café cereza a café verde
2. 11.- Proceso de Transformación de Café Verde a Café
Soluble
Estos procesos se realizan en la empresa de Solubles Instantáneos
Compañía Anónima (S.I.C.A.), para elaborar café soluble de alta calidad,
sitio del cual vamos a obtener nuestra materia prima denominada Borra
de Café. A continuación describimos paso por paso, el proceso de
transformación de café verde en café soluble:
2.11.1.- Recepción, limpieza y almacenamiento
Se reciben los granos de café verde en el beneficio de la empresa
S.I.C.A., realizando un muestreo para ejecutar un análisis completo en el
CEREZAS DE
CAFÉ
FERMENTACIÓN
SECADO
DESPULPADO
MÉTODO
SECO
MÉTODO
HÚMEDO
CAFÉ VERDE
TRILLA
PULPA
MUCÍLAGO
PERGAMINO
SECADO
TRILLA CÁSCARA
26
laboratorio de materia prima, donde se evalúan tanto sus características
físicas como químicas. Si el producto es aceptado, se receptan los granos
de café verde, luego se limpian separando cualquier suciedad como
polvo, piedras, palos o cascara, por medio de unas zarandas, obteniendo
un grano limpio y listo para ser procesado. Se almacena los granos de
café verde limpios en silos, para su posterior torrefacción.
Figura N°14. Impurezas separadas del grano y Silos de
almacenamiento
2.11.2.- Torrefacción
Es la operación unitaria más fundamental en la elaboración de café
soluble. Esta operación se realiza en un tostador continuo, en donde los
granos desarrollan sus características organolépticas como color, aroma y
sabor. Los granos de café verde son transportados desde los silos al
tostador, mediante un soplador o blower, e ingresan a un cilindro rotatorio
perforado, donde se hace circular gases calientes a temperaturas entre
240 a 260°C, que provienen de la combustión de diesel. El tiempo de los
granos de café en el tostador varía entre 8 a 12 minutos. Los granos de
café se mantienen en movimiento por acción mecánica para obtener un
tostado uniforme. En la torrefacción se producen tres etapas: secado,
pirolisis y enfriamiento.
El secado se da al comienzo de la tostación del grano, incrementando
su temperatura y reduciendo su humedad, dándose también cambios en
su color, forma y volumen.
27
La pirolisis ocurre luego de alcanzar los 190°C, donde se produce la
transformación de los sustratos del grano y las demás reacciones
químicas como: oxidación, reducción, hidrolisis y despolimerización.
El enfriamiento se trata en la etapa que culmina la torrefacción, donde
luego de tostar los granos de café, se realiza un enfriamiento inmediato,
con la finalidad de detener las reacciones de pirolisis impidiendo la
ignición para evitar que los granos se carbonicen.
Este enfriamiento se puede realizar de dos formas: circulando aire frio
con un soplador hasta que los granos alcanzan la temperatura ambiente,
o con un aspersor a presión arrojando finas gotas de agua sobre los
granos, con una relación de 0,15 litros de agua/kg de café y un caudal de
5ml/s, técnica también conocida como quenching, teniendo en cuenta que
la humedad del grano tostado no debe sobrepasar el 3%.
Figura N°15. Tostador de café y cambios en la apariencia del grano
de café en la tostación.
En la siguiente tabla se muestra el cambio de la composición química
del café antes y después de la torrefacción, tanto para la variedad robusta
como para la variedad arábica.
28
Tabla N°7. Composición Química del Café Verde y del Café Tostado
Base Seca (% Peso)
SUSTANCIA CAFÉ ARABICA CAFÉ ROBUSTA
VERDE TOSTADO VERDE TOSTADO
Cafeína 1.2 1.3 2.2 2.4
Trigonelina 1.0 1.0 0.7 0.7
Proteína Proteína Amino ácidos
9.8 0.5
7.5 0.0
9.5 0.8
7.5 0.0
Azucares Sucrosa Azucares reductores Otros azucares Polisacáridos
8
0.1 1
49.8
0
0.3 -
38.0
4.0 0.4 2.0
54.4
0
0.3 -
42.0
Ácidos Alifáticos Quínico Clorogénico
1.1 0.4 6.5
1.6 0.8 2.5
1.2 0.4
10.0
1.6 1.0 3.8
Lípidos 16.2 17 10 11
Productos de la caramelización y condensación (melanoidinas)
-
25.4 -
25.9
Compuestos Volátiles
Trazas 0.1 Trazas 0.1
Minerales 4.2 4.5 4.4 4.7
Total 100 100 100 100
Agua 8-12 0-3 8-12 0-3
Fuente: CLARKE, R.J. 2013
En la torrefacción también se presentan cambios físicos y
organolépticos en el grano de café, que se describen en la siguiente tabla.
29
Tabla N°8. Cambios Físicos durante la Torrefacción
TEMPERATURA COLOR AROMA VOLUMEN OBSERVACIONES
100°C Amarillo A pan
tostado
Desecación y
pérdida de peso
120 – 130°C Castaño A semillas
secas
Hacia los 140 –
160°C se va
acentuando a
matices pardos
más o menos
oscuros
180°C Comienza a
desarrollarse
Gases de
combustión en
forma de volutas
blanco-azulado
con
desprendimientos
de CO2 y CO
190°C Marrón Pleno
desarrollo Aumenta
Se desprende
gas en
abundancia y los
granos crepitan.
Exudación
brillante
250°C
Ennegrece
y pierde
brillo
Desaparece Deja de
aumentar
Se acentúa el
desprendimiento
de humos. Se
dice que están
carbonizados.
Fuente: ROEBEN, K.W. 2014
30
2.11.3.- Desgasificación
Se trata de mantener en reposo los granos de café tostados, entre 1 a
4 días, ya que los granos al ser tostados, expulsan gran cantidad de
dióxido de carbono. Este proceso se realiza en silos herméticos
equipados con válvulas de alivio. Ciertas empresas venden granos de
café tostados, y estos gases dificultan el empaquetamiento, debido a las
presiones que producen, y pueden provocar daños al empaque. En 2850
horas (aproximadamente 4 meses) los granos de café tostados han
liberados todo el dióxido de carbono. Este paso es necesario solamente si
se va a vender café tostado, no es obligatorio para elaborar café soluble.
2.11.4.- Mezcla de variedades de café
Es un proceso también conocido como blend, que consiste en
combinar las propiedades que aportan cada variedad de café, para
generar una bebida con buen aroma, sabor, acidez y cuerpo. Se realiza
después de la torrefacción, porque las propiedades físicas y químicas de
cada variedad de café son distintas, motivo por el cual primeramente se
debe de tostar los granos de un mismo tipo de café, para combinar los
tiempos y temperaturas del tueste. Si esto se realiza antes de la
torrefacción, los granos no se tostaran uniformemente.
2.11.5.- Molienda
En este proceso se reduce el tamaño de los granos tostados, llegando
a la granulometría deseada, para facilitar la extracción de los sólidos
solubles del café, al poner el café molido en contacto con agua. Los
granos tostados no deben ser molidos inmediatamente, ya que al salir del
tostador tiene una textura blanda como goma, y si son molidos de esa
forma, no se podrá reducir su tamaño, solo serán aplastados, por lo que
deben ser enfriados a la temperatura ambiente, para que se endurezcan y
se vuelvan quebradizos.
Para esta operación se utiliza un molino de rodillos, y ya molidos los
granos tostados, se colocan en una tolva móvil, que los deposita en cada
extractor.
31
Figura N°16. Molino de rodillos y café molido.
2.11.6.- Extracción
Consiste en extraer los sólidos solubles de los granos de café ya
tostados y molidos, que son depositados en extractores de acero
inoxidable, y se someten a extracción solido – liquido, con agua caliente
como solvente, en estado líquido, a una presión de 20 kgf/cm2 y
temperatura de 180°C.
La relación agua/café es de 4/1. El contacto de agua con café, causa
que este último ceda sus solidos solubles al agua, generando el extracto
de café. Esta es una extracción intermitente y en contracorriente, que
consta de 6 extractores, donde 5 operan y el último es el que carga o
descarga café y extracto de café respectivamente.
El agua ingresa por la parte inferior de la columna de extracción más
agotada, o la que ha permanecido más tiempo en el proceso, y se recoge
el líquido generado por la columna recientemente cargada de café,
mientras que la columna sin operar descarga el café agotado, y se vuelve
a cargar café, para luego ser la última columna del proceso. En la
extracción existen tres etapas: humectación, extracción de solidos
solubles e hidrolisis.
La humectación consiste en que el agua caliente ocupa los espacios
intersticiales del grano tostado y molido, y el café tiene la capacidad de
absorber agua hasta el doble de su peso. La humectación se facilita por la
liberación constante de dióxido de carbono, aumentando la porosidad del
café.
32
En la extracción de solidos solubles, se absorben los componentes
del café que son solubles en agua.
La hidrolisis, se trata del rompimiento de las cadenas carbonadas
convirtiendo los carbohidratos insolubles, en solubles en agua. El líquido
obtenido es el extracto del café, y el subproducto, residuo o torta residual
es lo que se denomina Borra de Café.
Figura N°17. Equipo de extracción y Extracto de café
Tabla N°9. Composición del Extracto del Café (Base Seca)
COMPONENTE %SOLUBLES
CARBOHIDRATOS 50
LÍPIDOS 0.2
PROTEINAS 4.0
CENIZAS 14.0
ACIDOS NO VOLÁTILES
Clorogénico 13.0
Cafeico 1.4
Quínico 1.4
Oxálico, málico, cítrico, tartárico 3.0
TRIGONELINA 3.5
CAFEÍNA 3.5
FENÓLICOS 5.0
VOLÁTILES 1.0
Fuente: SPIRO, M. MODELLING 2012
33
2.11.7.- Intercambiador de calor
El extracto de café sale de los extractores a una temperatura de
100°C, y por medio un sistema de dos intercambiadores de calor se
reduce esta temperatura. Este proceso se lleva a cabo en
intercambiadores de placas en donde se hace circular agua fría que
proviene del chiller. El extracto pasa por el primer intercambiador
disminuyendo su temperatura a 45°C, y luego por un segundo
intercambiador de calor reduciendo su temperatura de 45°C a 20°C.
Figura N°18. Intercambiadores de calor de placas
2.11.8.- Centrifuga
El extracto lleva consigo material en suspensión, que es materia
insoluble en agua. Este es un proceso mecánico que separa los sólidos
no solubles del café contenidos en el extracto, aplicando una fuerza
centrífuga, lo que ocasiona un movimiento rotatorio, acelerando la
sedimentación de este material. Estas sustancias inmiscibles en agua son
separadas con el fin de generar una bebida más limpia. La centrifuga
ocasiona un leve aumento de temperatura a 25°C.
Figura N°19. Centrifuga
34
2.11.9.- Concentración de extracto
El extracto de café contiene todas las características organolépticas
del café tostado, y es sensible al calor, ya que aplicando temperaturas
mayores a 50°C el extracto se vuelve viscoso, y se deterioran sus
propiedades organolépticas. Este proceso se realiza en evaporadores al
vacío, que concentran el extracto de café, eliminando gran parte del agua
contenida en el mismo.
La concentración de los sólidos solubles en el extracto incrementa del
22 - 25% hasta un 38 - 45%. Luego de esto, se enfría el extracto por un
intercambiador de placas, disminuyendo su temperatura de 30°C a 13°C,
y posteriormente se almacena el extracto en tanques donde
constantemente circula agua fría para mantenerlo a esta temperatura, y
de esta manera evitar la fermentación y un posible crecimiento bacteriano.
De aquí el extracto pasa a un proceso de secado final, que puede ser de
dos formas: secado por atomización y secado por liofilización.
Figura N°20. Evaporadores al vacío
2.11.10.- Secado Final
Por Atomización
Consiste en eliminar el contenido de humedad del extracto por medio
de una corriente de aire caliente. El extracto pasa previamente por un
intercambiador de placas aumentando su temperatura a 40°C, y luego con
una bomba es transportado por una tubería a la parte superior de la torre
de secado. El aire caliente se consigue a través de un ventilador que toma
aire del ambiente, que luego es filtrado y purificado, para posteriormente
ser precalentado con vapor de agua, elevando su temperatura a 180°C.
35
Posteriormente el aire se transporta a una cámara donde se pone en
contacto indirecto con gases calientes provenientes de la combustión de
diesel, obteniendo un aire entre 240 y 300°C.
El extracto ingresa por la parte superior de la torre de secado por
medio de una tubería cuyo extremo tiene un dispositivo atomizador y
arroja el extracto en forma de pequeñas gotas y se ponen en contacto
directo con el aire caliente que circula dentro de la torre de secado, y el
aire caliente provoca que el agua contenida en el extracto se evapore. El
secado inmediato transforma las finas gotas de extracto en partículas
sólidas de café seco. En el inferior de la torre se va acumulando el café
seco y soluble que luego se almacena en tolvas. Este café soluble tiene
forma de pequeños átomos, que por el mismo motivo es llamada así esta
técnica de secado, y estos pequeños átomos aglomerados dan la
apariencia a un café soluble en polvo.
El aire en ocasiones arrastra pequeñas porciones de café en polvo, y
ese café se lo separa por medio de ciclones, que con un ventilador se
aspira el aire más vapor de agua y lo arroja al ambiente, cayendo el café
el polvo por gravedad, transportándolo nuevamente a la parte superior de
la torre de secado para ser reprocesado. El café secado por atomización
contiene una humedad entre 2 al 3%.
Figura N°21. Equipo de secado por atomización y Café soluble
atomizado
36
Por Liofilización
Consiste en congelar el extracto de café hasta obtener una masa
sólida, y posteriormente se introduce en una cámara de vacío para
separar el agua, por sublimación (paso del agua del estado sólido a
vapor, sin pasar por el estado líquido).
El agua es congelada hasta su temperatura eutéctica, y el hielo es
sublimado a un alto vacío aplicando una fuente de calor. Para lograr la
sublimación se necesita un suministro de energía que se conoce como
calor latente de sublimación. Este calor latente puede ser suministrado
por conducción, usando placas de calentamiento en contacto directo con
la bandeja, o también por radiación mediante placas de calentamiento
situadas a cierta distancia de la bandeja. En este proceso existen tres
etapas: congelamiento, liofilización, y desorción del agua.
En el congelamiento, el extracto de café es transportado por tuberías
y pasa a un congelado previo en una cámara de congelación, donde
circula aire frio y la temperatura de extracto se disminuye a 5°C. Dentro
de la cámara de congelación gira un cilindro, que en su interior circula
dióxido de carbono a -40°C. El cilindro por su parte exterior es bañado
con el extracto, lo que provoca que este último se congele rápidamente,
formándose placas de extracto alrededor del cilindro. Luego las placas de
extracto son retiradas con cuchillas, y se almacenan en tolvas colocadas
en la parte inferior del cilindro. Estas placas posteriormente son molidas,
obteniendo gránulos de extracto congelados que son transportados en
bandejas de acero inoxidable, e ingresan al túnel de secado por
liofilización.
La liofilización, comienza al momento de suministrar el calor latente
de sublimación, el hielo es sublimado combinando condiciones de
temperatura y presión, y para que este proceso se realice, la presión
parcial de vapor de agua en la superficie del producto debe ser menor que
la presión de vapor de hielo a la temperatura de operación.
37
La desorción del agua, es el proceso inverso a la absorción, e inicia
cuando ya no existe hielo en el extracto sólido, y cuando la sublimación
haya acabado. Al terminar esta etapa el extracto solidificado seco es el
denominado café soluble liofilizado. Las bandejas con café soluble salen
del túnel de secado por liofilización, y son vaciadas en tolvas que
almacenan el café soluble.
En esta técnica de secado se obtiene café seco y soluble en forma de
pequeños gránulos, y también se conserva de mejor manera el aroma y
sabor del café que en la técnica anterior. El café secado por liofilización
posee de 1,5 a 2,5% de humedad.
Figura N°22. Equipo de secado por liofilización y café liofilizado.
2.12.- Materia Prima
Teniendo claro el proceso del café, los subproductos generados son
de dos tipos: los generados en el beneficio de las agroindustrias como
son la Pulpa, el Mucilago y el Pergamino, y los generados en las
industrias de café soluble, que es la Borra de Café.
A continuación se muestra la cantidad de subproductos generados en
el proceso de café, con 1000g de café cereza.
38
Tabla N°10. Subproductos generados en el proceso de beneficio e
industrialización de 1000g de café cereza.
PROCESO SUBPRODUCTO PERDIDA (g) PERDIDA (%)
Despulpado Pulpa Fresca 394 39,4
Fermentación Mucílago 216 21,6
Secado Agua 171 17,1
Trilla Pergamino 35 3,5
Torrefacción Volátiles 22 2,2
Preparación de la bebida
Borra 104 10,4
Pérdida acumulada
942 94,2
Fuente: Calle H. 2014
Grafica N°6. Subproductos en el proceso del café.
Elaborado por: Calle y Mendoza
Pulpa Fresca 39%
Mucílago 22%
Agua 17%
Pergamino 4%
Volátiles 2% Borra
10%
Bebida 6%
Subproductos en el proceso del café
39
Figura N°23. Subproductos en el proceso del café.
Elaborado por: Calle y Mendoza
En la tabla N°10, el 94,2% del peso del café son subproductos, y
solamente el 5,8% del peso del fruto es utilizado en la preparación de la
bebida.
216g de Mucílago
171g de Agua
35g de Pergamino
22g de
Volátiles
58g de
Bebida
104g de
Borra
394g de Pulpa
1000g de Café Cereza
40
Tabla N°11. Aplicaciones de los diferentes subproductos del café
SUBPRODUCTO DESCRIPCION PORCENTAJE DE
USO
Pulpa de café
Usada como abono orgánico dejándose tres meses conservada y cubierta, aprovechándose como fuente de humus, nitrógeno y carbono, reemplazando fertilizantes químicos.
+95% usado como compuesto orgánico.
Mucilago
Es el residuo del lavado y fermentación. Se dificulta su uso debido a que queda en malas condiciones debido al proceso de fermentación que se realiza con el grano.
Menos del 10% es reciclado, lo demás es vertido en ríos.
Cisco o pergamino
Es quemado habitualmente en hornos para realizar la torrefacción y tueste.
100%.
Volátiles y líquidos
Producto de la torrefacción donde se libera vapor, gas carbónico y aceites del café.
Se pierden los volátiles, y los lípidos se generan en pequeñas escalas.
Borra
La borra es el residuo final, el cual queda después de la torrefacción del grano del café. Es incinerada para obtención de energía por algunas fábricas, depositada en rellenos sanitarios y usadas en menor medidas como fertilizantes orgánicos y enmienda de suelos.
-Calderas en fábricas 13%. -Incineración indefinida 27%. -Rellenos sanitarios 60%.
Fuente: Calle H, 2014
41
2.13.- Borra de Café
La borra de café es el café agotado producto de la extracción, que
consiste en el café tostado y molido que ya se les fue extraído sus
compuestos solubles en agua. Es considerada como bagazo, y
representa aproximadamente el 10% del peso de fruto del café. La borra
de café es la materia insoluble en el proceso de extracción, que fue
tratada con agua a temperaturas entre 170 a 185°C y presiones de 14 a
16 bares.
Contiene una humedad entre 75 a 85%. 1000kg de café verde
producen 480kg de borra en base seca, asumiendo un 20% de pérdidas
en torrefacción y una extracción con eficiencia de 40%. La borra de café
tiene un contenido de aceite entre el 10% y el 15% en base seca. (Calle,
H. 2014). En el proceso de extracción de los sólidos solubles en agua,
solo 1% del aceite de café es transferido al extracto, lo restante queda
contenido en la borra de café. Este aceite es fácilmente extraíble con
disolventes orgánicos.
Figura N°24. Borra de Café
2.13.1.- Características Físicas de la Borra de Café
Color: café claro
Olor: característico a café tostado
Aspecto: café tostado y molido
Densidad aparente: 0,28 ⁄
42
2.13.2.- Composición Química de la Borra de Café
La borra de café está constituida principalmente por los siguientes
compuestos:
Celulosa: cadenas largas de grupos anhidro glucosa que puede
ser usada para fabricar papel.
Hemicelulosa: conformadas por hexosanos, pentosanos y
poliuronidas, las cuales se descomponen en hexosas, pentosas y
ácidos uronicos.
Lignina: compuesto con alto contenido en carbono.
Taninos: compuesto polifenólico.
Minerales: como zinc, magnesio, fosforo.
Otros: ceras, resinas en cantidades que varían de acuerdo al tipo
de café.
Tabla N°12. Composición Química de la Borra de Café
Composición Química de la Borra de Café
Aceites 10 – 15%
Taninos 0,78 – 5,60%
Lignina 8,72 – 9,15%
Celulosa y Hemicelulosa 36 – 37%
Carbohidratos 34 – 39%
Otros 1 – 3%
Fuente: Calle Hernadez. 2014
2.13.3.- Aceite de la Borra de Café
Durante el proceso de extracción solo el 1% del aceite de café es
transferido al extracto, y esto se lo puede comprobar de la siguiente
manera:
43
Se realizaron extracciones de aceites en café tostado de distintos
grados de tueste, obteniendo rendimientos entre 28 a 38g por cada 250g
de café tostado, equivalentes al 11.2 – 15.2%. Posteriormente se extrajo
el aceite en la borra de café obteniendo rendimientos entre 26 a 37g por
cada 250g de café tostado, equivalentes a 10.4 – 14.8%, comprobando
que muy poco aceite pasa a la bebida y éste puede recuperarse con
solventes orgánicos.
Tabla. N°13. Propiedades Físicas y Químicas del Aceite de la Borra
de Café.
PRUEBA RESULTADO
Densidad ( ⁄ ) a 23°C 0.923
Viscosidad dinámica (Pa s) a 26°C 0.10
Viscosidad cinemática ( ⁄ ) 31.25
Índice de refracción a 23°C 1.478
Punto de Fusión 15°C
pH a 22°C 4.68
Fuente: Ovalle, 2015
2.13.4.- Características Organolépticas del Aceite de la Borra de Café
Olor: característico a café tostado.
Sabor: aceitoso, amargo intenso.
Color: café oscuro.
Aspecto: liquido viscoso y brillante.
2.14.- Reacciones Químicas en el Proceso de Torrefacción
del Café
En la torrefacción, al café se lo expone a temperaturas entre 240 a
260°C con gases calientes, que provienen de la combustión del diesel. En
este proceso se producen una serie de reacciones químicas, que a través
44
de ellas, se generan los Taninos. Entre las principales reacciones que se
producen en este proceso son:
Figura N°25. Principales reacciones químicas en la torrefacción de
los granos de café, y los compuestos generados.
Fuente: CLINTON, W.P. 2013
En el proceso de torrefacción, los compuestos químicos cambian su
estructura molecular y sus concentraciones de igual manera, y esas
variaciones se presentan en la siguiente figura.
45
Grafica N°7. Composición química de los granos de café verde y
tostados.
Fuente: ILLY y VIANI, 2015
La torrefacción del café inicia con la desecación del grano, y luego se
desarrolla la caramelización de la sacarosa, la degradación de
aminoácidos, la glicación entre los azúcares reductores y los
aminoácidos, la despolimerización de los carbohidratos y proteínas, la
generación del color y la formación de los compuestos volátiles y de las
melanoidinas.
4,50
0,10
25,40
3,30
1,60
1,00
1,30
17,00
0,00
7,50
0,00
0,10
0,00
38,00
4,20
0,00
0,00
6,90
1,30
1,00
1,20
16,20
0,50
9,80
1,00
0,30
8,00
49,80
M I N E R A L E S
C O M P U E S T O S A R O M Á T I C O S
M E L A N O I D I N A S
Á C I D O C L O R O G É N I C O Y
Q U Í N I C O
Á C I D O S A L I F Á T I C O S
T R I G O N E L I N A
C A F E Í N A
L Í P I D O S
A M I N O Á C I D O S
P R O T E Í N A S
O T R O S A Z Ú C A R E S
A Z Ú C A R E S R E D U C T O R E S
S A C A R O S A
P O L I S A C Á R I D O S
% en base seca
Verde Tostado
46
En la Reacción de Maillard o glicación, los azúcares reductores
reaccionan con los aminoácidos, formando las melanoidinas, que son las
que producen el pigmento marrón al grano tostado, y son las precursoras
de compuestos fenólicos (NURSTEN, 2015).
2.15.- Compuestos Fenólicos
Son aquellos compuestos que contienen en su estructura un grupo
fenol. Estos compuestos también reciben el nombre de fenoles o
polifenoles, que consisten en un anillo aromático con uno o más grupos
hidroxilo (-OH). (WADE L, 2014).
Figura N°26. Estructura química de un fenol.
La clasificación de los compuestos fenólicos se basa en cuatros
grupos, que son los siguientes:
Figura N°27. Clasificación de los Compuestos Fenólicos
Fuente: WADE L, 2014.
47
Los fenoles son poco solubles en agua, ya que aunque presentan puentes
de hidrogeno, la relación entre carbonos y grupos hidroxilo es muy baja.
Los compuestos que contienen grupos hidroxilo son solubles en agua, sí
la razón entre carbonos y grupos – OH no es mayor de 3:1. Los fenoles
con más grupos – OH presentan mayor solubilidad en el agua.
El café contiene importantes compuestos fenólicos, como el ácido
clorogénico, el ácido caféico y las melanoidinas.
2.15.1.- Ácido Clorogénico presente en el Café
El café es abundante en compuestos fenólicos y uno de los principales
es el ácido clorogénico. El ácido clorogénico es un compuesto
polifenólico, presente en el café verde en un porcentaje entre 6.5 a 10,
dependiendo del tipo de café, y es el encargado de aportar el cuerpo,
sabor amargo y astringencia a la bebida. Al momento de ser tostado el
café, el ácido clorogénico cambia su estructura molecular, y se transforma
en ácido caféico y ácido quínico.
Figura N°28. Estructura química del ácido clorogénico
En la torrefacción del café, el ácido clorogénico se isomeriza,
produciendo ácido quínico y ácido caféico, y este último se une con las
melanoidinas, forman quinolactonas y se transforman en catecol y
pirogalol (CLIFFORD, 2013), que consisten en compuestos derivados de
los taninos.
48
Figura N° 29. Estructura química del Catecol y Pirogalol
2.16.- Taninos
Los taninos son metabolitos secundarios y consisten en sustancias
amargas producidas desde el interior de las plantas y están distribuidos
en las cortezas, frutos, hojas, raíces o semillas en especies de muchas
familias del reino vegetal, y son capaces de formar fuertes complejos con
macromoléculas y minerales lo que provoca un buen sistema de defensa
de las plantas contra los microorganismos y herbívoros.
Los taninos son compuestos fenólicos amorfos coloidales no
cristalizables, formados por carbono, hidrogeno y oxígeno, y poseen un
elevado peso molecular (entre 500 y 3000), y una estructura química
compleja, que al contacto con las proteínas las desnaturalizan. Se llaman
taninos por una antigua técnica denominada „„tanning‟‟ (curtido de pieles),
que consiste en convertir las pieles de los animales en cuero, en la que se
emplean estos compuestos fenólicos.
Se los denomina curtientes, ya que reaccionan con las proteínas de las
fibras de colágeno uniéndolas entre sí, aumentando su resistencia al calor
(aumento de la temperatura de retracción), al agua y a los
microorganismos. Actualmente, para el tanino común, su fórmula química
es .
Desempeñan bastantes funciones, tanto como formadores de diversas
sustancias: aceites esenciales, lignina, resinas; protectores: propiedades
49
fungicidas y bacteriostáticas, moderador de las oxidaciones,
antifermentos, y como sustancias de reserva. (HASLAM, 2014).
2.16.1.- Clasificación de taninos
Los taninos se clasifican en:
Taninos Hidrolizables o Gálicos.
Taninos Condensados, Catéquicos, no hidrolizables.
Taninos Hidrolizables
Figura N°30. Taninos Hidrolizables
Consisten en mezclas de compuestos fenólicos como el galol o ácido
gálico y ácido elágico, o también de mezclas de ácido gálico y glucosa, y
se hidrolizan fácilmente en medio ácido.
Taninos Condensados
Figura N°31. Taninos Condensados.
50
Constituyen más del 90% de la producción de taninos, ya que se
aplican en la preparación de adhesivos y resinas.
Se forman por la polimerización de las catequinas, motivo por el cual
también se denominan taninos catéquicos. Son muy resistentes a la
hidrolisis acida, y si llegan a hidrolizarse se convierten en antocianidinas.
2.16.2.- Propiedades Fisicoquímicas de los Taninos
Solubles en agua y en compuestos polares como alcoholes.
Insolubles en disolventes como éter etílico, cloroformo.
Capacidad de precipitación en agua de cal
Capacidad de formar complejos (Cu, Hg, Pb, Sr, Zn)
Se oxidan fácilmente en medio acido.
Con cloruro férrico y otras sales, se colorean y precipitan las
proteínas de las soluciones acuosas.
2.16.3.- Propiedades Biológicas de los Taninos
Estructura y carácter fenólico
Astringencia (cicatrizante, antidiarreico)
Antioxidante
Inhibición enzimática
Protectores (favorece la cicatrización, antihemorrágico)
Antídoto en intoxicaciones por metales pesados y alcaloides
2.16.4.- Aplicaciones de los taninos en la industria
Los taninos han sido utilizados como elementos curtientes de pieles de
diversos animales, haciéndolos más resistentes al agua, calor y abrasión,
para la elaboración de materiales de cuero.
En la elaboración de colorantes aprovechando que los taninos
reaccionan fácilmente con el Cloruro Férrico, generando productos con
variedades de tonos, los cuales se pueden aplicar en tintorerías.
51
Presentan en ciertas condiciones propiedades clarificantes y
conservantes, que se pueden aprovechar en enlatados y productos
embotellados como por ejemplo en el vino.
Se emplean contra las hemorragias, en la supuración, enfermedades
de las encías, caída de cabello y como contraveneno de compuestos
metálicos y alcaloides.
En algunos países, por su acción dispersante se utilizan como
desincrustante de calderas de vapor, en perforación de pozos petroleros,
y como clarificador del vino.
2.16.5.- Taninos en la Borra de Café
Los taninos presentes en el café son el catecol (1,2-dihidroxibenceno)
y el pirogalol (1,2,3-trihidroxibenceno). Estos compuestos se forman en la
torrefacción del grano de café, aunque los taninos hidrolizables derivados
del pirogalol, son solubles en agua, por lo que posiblemente ya no estén
presentes en la borra de café.
La presencia de taninos se puede demostrar realizando pruebas
cualitativas y cuantitativas al extracto de la borra.
2.16.6.- Extracción de Taninos
No existe un método específico para la extracción de taninos, ya que
depende de la fuente que se vaya a extraer, del estado de agregación de
la sustancia, y del tipo de tanino. Se han utilizado procedimientos muy
variados para la extracción de estos compuestos, aunque cualquier
proceso comienza con una primera extracción con solventes orgánicos
acuosos o de mezclas de alguno de ellos, como hexano, etanol, metanol
o agua, obteniendo un extracto de mezclas de compuestos fenólicos.
Lo importante en la extracción de taninos es el solvente que se vaya a
utilizar, ya que puede afectar en el rendimiento.
52
2.17.- Lixiviación Soxhlet
Equipo diseñado para la extracción de un líquido contenido en una
muestra sólida. Se emplea este equipo cuando la sustancia a extraer es
soluble en un solvente. En la extracción se aplica un solvente que se
pueda eliminar fácilmente después de la extracción, para obtener un
extracto puro.
Un extractor Soxhlet tiene tres secciones principales: percolador
(calentador para el reflujo) que hace circular el solvente, un dedal
(frecuentemente hechas de papel filtro grueso o algodón estéril) que
retiene la muestra sólida, y un mecanismo de sifón que vacía
periódicamente el dedal.
2.18.- Rotavapor
Equipo usado para eliminar eficiente y gradualmente solventes
contenidos en muestras, por evaporación al vacío. Consta de un
evaporador rotatorio, una bomba de vacío la que nos facilita aplicar
temperaturas bajas a la muestra, y un refrigerante que recircula para
condensar inmediatamente el solvente una vez separado de la muestra.
2.19.- Espectrofotometría
Consiste en un método de cuantificación de compuestos específicos
de una muestra. Esta técnica se ha aplicado para reconocer sustancias
químicas, desde el espectro visible con la ayuda de detectores de
radiación, logrando estudiar la absorbancia en el espectro ultravioleta
(UV).
Este método se basa en la cantidad de energía radiante que absorben
las moléculas de una solución que contiene una cantidad desconocida de
una sustancia, y la compara con una solución que contiene una cantidad
conocida de la misma sustancia, en función de una longitud de onda
específica.
La longitud de onda es la distancia entre los picos adyacentes y
puede ser medida en metros (m), centímetros (cm), micrómetros (µm) y
nanómetros (nm).
53
La absorbancia es la cantidad de energía absorbida por una muestra,
y es medida a través de un detector.
La base de una espectrofotometría depende de:
La cantidad de luz absorbida por la muestra
Concentración de la solución
Longitud de onda
Esta operación se realiza en un espectrofotómetro, el cual tiene la
capacidad de manejar un haz de radiación electromagnética denominado
luz, que atraviesa por la muestra, identificando y cuantificando su energía
absorbida, a través del detector.
2.19.1.- Espectrofotometría UV - VISIBLE
Es un tipo de espectrofotometría, que involucra la absorción de
radiación ultravioleta por una sustancia. En esta operación se selecciona
la longitud de onda adecuada para la sustancia a cuantificar.
Figura N°32. Espectrofotómetro UV-VIS
2.20.- Catequinas
Las catequinas consisten en monómeros de taninos condensados, y
son compuestos antioxidantes, que poseen una capacidad antioxidante
entre 50 y 100 veces superior en comparación con las vitaminas C y E.
54
Su fuerte capacidad antioxidante previene los radicales libres, que son
los que se asocian con el envejecimiento prematuro, enfermedades
cardiacas y algunos tipos de cáncer.
Poseen propiedades muy amplias, una de ellas es ser
anticancerígenas, es decir, inhiben el crecimiento de las células
cancerígenas evitando enfermedades graves. Tiene propiedades
clarificantes y estabilizadores de color, por lo que se pueden emplear en
la vinificación de vinos.
55
CAPITULO III
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
A continuación se describe la preparación de la muestra de la borra de
café para la extracción de taninos.
3.1.- Recolección de la Borra de Café
La borra de café fue recolectada en la empresa Solubles Instantáneos
Compañía Anónima (S.I.C.A.), durante dos meses en diferentes días, con
un promedio de 3kg de borra de café húmeda por día. Se limpiaron las
muestras, separando desechos que pudieran estar presentes.
3.2.- Secado
La borra de café inicialmente contiene una humedad entre 80 – 85%,
la cual se disminuye mediante un proceso de secado. Este proceso es
muy importante para el almacenamiento de la borra de café. Se realizó un
secado al sol, en patios de concreto hasta disminuir la humedad de la
borra a 5% como mínimo. Este proceso evita la descomposición de la
borra de café debido al crecimiento de hongos en la superficie, y también
tiene la finalidad de facilitar la penetración del solvente posteriormente en
el proceso de extracción.
Se determinó el contenido de humedad de la borra con una estufa
según la norma INEN-ISO 712:2013. La prueba consiste en colocar 5g de
borra de café en una cápsula de porcelana, y se introduce la cápsula en
una estufa o mufla durante un periodo de 3 horas a una temperatura de
103°C. Transcurrido el tiempo, se pesa la cápsula y se calcula la pérdida
de peso, que representa a la cantidad de humedad contenida en la borra
de café.
56
3.3.- Molienda
Este proceso se emplea para reducir el tamaño de las partículas de la
borra de café utilizando un molino eléctrico, hasta llegar a la
granulometría deseada de 250 - 500 µm, para aumentar el rendimiento de
extracción del aceite de la borra.
3.4.- Extracción
Se realizó la extracción en un equipo de Lixiviación Soxhlet. La
selección del solvente para la extracción fue estudiada en base a las
reacciones que se pueden producir con los compuestos presentes en la
borra de café. Existen diferentes solventes para extraer taninos, como
metanol, etanol, agua y hexano (WATERMAN y MOLE, 1994).
Se estudiaron los diferentes solventes descartando tres de ellos por las
siguientes razones:
El Agua no, porque la borra es proveniente de la extracción de los
sólidos solubles del café, por lo tanto los compuestos solubles en
agua ya fueron extraídos y desplazados en la bebida.
El Metanol no, porque es muy toxico, y ocasiona la metanolisis de
los dépsidos gálicos.
El Hexano no, por su toxicología, es uno de los alcanos tóxicos,
debido a su efecto fisiológico que proviene de los productos de su
metabolización, como la 2,5-hexadiona, ya que este compuesto
reacciona con aminas esenciales para el funcionamiento de las
células nerviosas, por lo tanto es neurotóxico.
El Etanol sí, porque es de fácil manejo, menos toxico, no presenta
reacciones indeseadas en la extracción, y produce un mayor
rendimiento en la extracción.
En la extracción se aplicó como solvente el Alcohol Etílico al 96%, a
una temperatura levemente superior al punto de ebullición del solvente
(80°C) durante un periodo de 6 horas. El aceite contenido en la borra de
57
café se solubiliza en el alcohol etílico, obteniendo una mezcla de aceite de
la borra y el solvente. El rendimiento de la extracción se calcula de la
siguiente manera:
Grafica N°8. Cantidad de aceite extraído en función del tiempo.
3.5.- Concentración del extracto:
Este proceso tiene como objetivo separar el alcohol etílico y concentrar
el extracto de la borra de café. Esta operación se realizó en el equipo
Rotavapor, el cual evapora el alcohol etílico aplicando un vacío y calor.
Por su alta volatilidad, el solvente es de fácil separación, recuperando el
solvente para una nueva aplicación.
3.6.- Borra de café después de la extracción
La borra de café luego se ser sometida a extracción aun contiene
alcohol etílico, que puede ser fácilmente extraído en un desolventizador.
La borra luego de haber sido procesada contiene azúcares, polisacáridos,
minerales y proteínas, que le confieren un alto valor biotecnológico, que
puede ser aprovechado en procesos fermentativos, y también puede
utilizarse como combustible sólido aplicando calcinación o como
0
5
10
15
20
0 1 2 3 4 5 6
Ace
ite
ext
raid
o %
Tiempo de extracción (horas)
58
fertilizante para las plantas, con el fin de eliminar residuos sólidos sin ser
aprovechados al máximo.
3.7.- Diagrama del Proceso
BORRA DE CAFÉ
SECADO
TORTA RESIDUAL EXTRACCION 80°C ETANOL
ROTAVAPOR
DESOLVENTIZADOR ACEITE + ETANOL
RESIDUOS
ENVASADO DE ACEITE
ALMACENADO
MOLIENDA
59
3.8.- Balance de materia
3.8.1.- Secado
Comentario: Se recolectó una cantidad de 2440g de Borra de Café
Húmeda.
Balance general (SECADO):
B.H. = B.S. + W
2440g = 366g + W W = 2074g
3.8.2.- Molienda
3.8.3.- Extracción Soxhlet
Comentario: La torta residual obtenida fue de 969.2g. La cantidad de
alcohol etílico fue de 1L, por lo que su masa es de 812g (densidad del
alcohol etílico = 0.812kg/L)
Balance general (EXTRACCIÓN):
B.S + E = D + T + C
366g + 812g = D + 969.2 + C
C = 208.8g – D Ecuación 1
SECADO
366 g de Borra
Seca (B.S.)
2440g de Borra
Húmeda (B.H)
2074g de Agua (W)
MOLIENDA 366g de Borra Seca 366g de Borra Seca
EXTRACCION
Aceite de café +
Alcohol etílico (D)
366g de Borra
Seca (B.S.)
812g de Alcohol Etílico (E)
969.2gTorta Residual (T)
Borra Seca+ Alcohol
Alcohol perdido
(C)
60
3.8.4.- Rotavapor
Comentario: la cantidad de aceite de café (F) obtenida fue de 84g y de
alcohol etílico 125 ml (101.5g).
Balance general (ROTAVAPOR):
D = V + F
D= 84g + 101.5g
D= 185.5g
Remplazando en la ecuación 1:
C = 208.8g – D
C = 208.8g – 185.5g
C = 23.30 g
3.8.5.- Desolventizador
Comentario: el valor de X se calcula con la diferencia entre la cantidad de
Borra Seca que ingresa en la Extracción y la cantidad de Aceite que se
obtiene en el Rotavapor.
X = 366g – 84g
X = 282g
ROTAVAPOR Aceite de café (F)
Aceite de café +
Alcohol etílico (D)
Alcohol Etílico (V)
DESOLVENTIZADOR Desechos (X)
969.2gTorta Residual (T)
Borra Seca+ Alcohol
Alcohol Etílico (B)
61
Balance general (DESOLVENTIZADOR):
T = B + X
B = T – X
B = 969.2g – 282g
B = 687.2g
En rendimiento se la extracción se calcula con el contenido de extracto
y con la cantidad de borra expuesta a extracción.
3.9.- Pruebas Cualitativas de Identificación de Taninos
Consisten en reacciones químicas de coloración o de precipitación con
reactivos, que demuestran si hay presencia de taninos y diferencian la
clase de taninos existente.
3.9.1.- Prueba con Acetato de Plomo
La prueba con Acetato de Plomo consiste en una reacción de
precipitación, y se aplica solamente para reconocimiento de taninos
hidrolizables, que al formarse un precipitado blanco indica resultados
positivos para taninos. El Acetato de Plomo precipita los taninos como
sales de plomo, por lo que puede ser usado como método de extracción y
de separación.
Figura N°33. Reacción de tanino con acetato de plomo
62
En un tubo de ensayo colocar 1ml de muestra y adicionar 1ml de
solución de acetato de plomo al 10%. Si se produce un precipitado blanco
indica presencia de taninos hidrolizables.
3.9.2.- Prueba con Gelatina-Sal
El reactivo Gelatina-Sal que consiste en una solución saturada de Cloruro
de Sodio en agua y con gelatina neutra, provoca la hidrolisis en los
taninos hidrolizables, precipitando la muestra indicando presencia de
taninos.
Se agregó 1ml de muestra en un tubo de ensayo, y 1ml de solución
gelatina-sal. Si se produce un precipitado indica la presencia de taninos
hidrolizables.
Figura N°34. Reacción de tanino con gelatina-sal
3.9.3.- Prueba con Cloruro Férrico
La reacción con Cloruro Férrico es una prueba colorimétrica que tiene
como objetivo, diferenciar la clase de tanino presente, ya que los taninos
se mezclan con las sales de hierro reaccionando y desarrollando una
coloración característica de cada clase de tanino. Esta respuesta se debe
al ataque producido por el Ion cloruro al hidrógeno del grupo hidroxilo,
63
provocando una ruptura de enlace y la unión del grupo fenóxido al hierro
(formación de complejo coloreado).
Los taninos reaccionan con cloruro férrico (FeCl3) para dar sales
férricas fenoxídicas coloreadas (verdes o azules).
Coloración verde, derivados del catecol o taninos no hidrolizables o
condensados
Coloración azul, derivados del pirogalol o taninos hidrolizables
Figura N°35. Reacción de tanino con cloruro férrico
A 1 ml de la muestra se agregó cinco gotas de solución de Cloruro Férrico
al 10%.
Fuente: CAREY, F. 2013 y SOLOMONS, T.W.G 2014
3.9.4.- Resultados de las Pruebas Cualitativas
PRUEBA RESULTADOS OBSERVACIONES
ACETATO DE PLOMO
Negativo Sin formación de precipitado
GELATINA – SAL Negativo Sin formación de precipitado
CLORURO FERRICO
Positivo Coloración verde
3.10.- Pruebas de Cuantificación de Taninos
El método que se empleó para cuantificar el contenido de taninos
presentes en la borra de café, fue la Espectrofotometría UV – VIS de
catequinas.
64
3.10.1.- Determinación Espectrofotométrica (UV-VIS) de catequinas
a) Alcance y campo de aplicación.
Esta metodología es aplicable a muestras que contengan como
principal componente constitutivo taninos condensados, tanto en materia
prima como en productos terminados. La cantidad mínima necesaria para
asegurar una correcta determinación por el análisis es de 5.0 + 0.5g.
b) Principio del método.
Para cuantificar flavonoides totales se empleó tricloruro de aluminio,
basado en la reacción de los iones de aluminio con los flavonoides en
medio alcalino y en presencia de nitrilo de sodio, formándose un complejo
de color rojo.
c) Autor.
Método: E. Perez-Perez, et al 2014, - Rev. Agron. (luz). 2014, 31:60-77
laboratorio desarrollante: UBA LABORATORIES.
d) Año de desarrollo y validación del método.
2014
e) Precauciones y aspecto de seguridad a considerar.
Realizar las actividades de trabajo analítico, haciendo uso de las
buenas prácticas de laboratorio (BPL‟s).
f) Reactivos y químicos a utilizarse.
Catequina, Estándar grado USP
Metanol, grado ACS
Metanol (70%): medir 70 ml de metanol y llevar a un
volumen de 100ml con agua grado HPLC.
Nitrito de sodio G.R.
65
Nitrito de sodio (5%): pesar 5g de nitrito de sodio disolver
con 25ml de agua destilada y llevar a volumen de 100ml en
matraz volumétrico.
Cloruro de aluminio G.R.
Cloruro de Aluminio (10%): pesar 10g de cloruro de aluminio,
disolver con 25ml de agua destilada y llevar a volumen de
100ml en matraz volumétrico.
Hidróxido de Sodio G.R.
Hidróxido de Sodio (1M): pesar 4g de hidróxido de sodio
disolver con 25ml de agua destilada y llevar a volumen de
100ml en matraz volumétrico.
g) Equipos y aparatos.
Balanza analítica calibrada (0.0001g).
Micropipeta calibrada 100-1000µL
ESPECTROFOTÓMETRO calibrado UV-VIS (BECKMAN-DU350).
Cubeta de cuarzo 10mm.
Pipetas serológicas.
Matraces volumétricos de 10 y 20ml.
h) Preparación de las soluciones de calibración
Solución Stock-estándar de Catequina: se disuelven 10mg de
catequina en 10 ml de metanol al 70%(Concentración teoría 1000ppm).
Reacción:
Solución estándar de trabajo: a partir de la solución stock preparar
la curva de calibrado separar alícuotas de 100 – 200 – 400 – 800µL
en matraz volumétrico de 100ml que contiene 2ml de agua
destilada.
Adicionar 0.3ml de una solución de NaNO2 al 5% m/v.
Después de 5 min, añadir 0.3ml de AlCl3 al 10% m/v.
66
A los 6 min, adicionar 2ml de NaOH 1M, diluir llevando el volumen
a 10ml con agua destilada inmediatamente, la absorbancia se
midió a una longitud de onda de 510nm.
Corregir con blanco de reactivos.
i) Preparación de la muestra.
Para muestras sólidas, pesar aproximadamente 0,5g de muestra
en tubos de appendorf de 15ml adicionar 10ml de metanol al 70%,
sonicar la muestra durante 10 min.
Centrifugar y pasar el líquido sobrenadante a un matraz
volumétrico de 20ml.
Repetir la extracción con 8ml de metanol al 70%, sonicar y
centrifugar.
Combinar los extractos y completar a volumen de 20ml con
metanol al 70%.
Tomar una alícuota de 1ml de la muestra en matraz volumétrico de
10ml y a continuación seguir lo descrito en el literal h.
j) Lecturas obtenidas – curvas de calibración.
Tabla N°14. Lecturas obtenidas – curvas de calibración
QC Absorbancia Concentración
STD1 1.272 92.80
STD2 0.649 46.40
STD3 0.398 23.20
STD4 0.192 11.60
67
k) Datos de lectura obtenidas de la preparación de la muestra.
Tabla N°15. Resultados de la Espectrofotometría UV-VIS
PM(g) Absorbancia
Concentración de
catequinas
(g/100g)
Fd
M1 0.5006 0.392
1.00 200
M2 0.5220 0.395
l) Cálculos y resultados obtenidos al analizar la muestra.
a) Luego del análisis espectrofotométrico de cada punto de la curva
registrar los valores de absorbancia obtenidos y elaborar la
respectiva regresión lineal (y = bx + a).
b) Reemplazar en la ecuación el valor de la absorbancia (x) obtenidos
para las réplicas de muestra en la correspondiente lectura
identificada y obtener los valores de concentración para las mismas
y luego aplicar.
( )
( )
m) Barrido espectral muestra purificada (catequinas)
Grafica N°9. Estándar (catequina)
68
Grafica N°10. Muestra de aceite de café
69
CAPITULO IV
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1.- Conclusiones
1. Mediante los resultados de las pruebas cualitativas de
identificación se demuestra la presencia de taninos condensados
derivados de las catequinas.
2. No se detectó presencia de taninos hidrolizables debido a que la
borra de café proviene de un proceso de extracción con agua.
3. Los resultados obtenidos en este proyecto, refleja que el
rendimiento de aceite de café fue de un 22.9% de los cuales el 1%
corresponden a taninos condensados, por lo que el extracto de la
borra de café puede considerarse como fuente alternativa de
taninos condensados.
4. Dado a que los taninos extraídos son del tipo catéquicos pueden
ser utilizados en la vinificación de vinos tintos.
70
4.2.- Recomendaciones
1. Mediante este proyecto se desea despertar un mayor interés en los
desechos de la industria cafetera, por lo tanto se recomienda un
posterior estudio para el aprovechamiento de los fenoles totales
hallados durante nuestro análisis espectrofotométrico.
2. Se recomienda empacar la borra al vacío con la finalidad de evitar
el crecimiento de microorganismos.
3. Se recomienda, realizar estudios para el uso de los taninos para
diferentes productos.
4. Nuestro proyecto de tesis consiste en un proceso intermediario lo
cual no altera las propiedades de la borra, para su aplicación como
abono orgánico o relleno sanitario.
71
BIBLIOGRAFÍA
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SOLOMONS, T.W.G Química Orgánica. 1era ed. Ed. Limusa. Mexico.
2014
ANEXOS
Anexo N°1. Borra de café seca y molida
Anexo N°2. Pesaje de la muestra
Anexo N°3. Muestra en el extractor soxhlet
Anexo N°4. Adición del solvente en el extractor soxhlet
Anexo N°5. Rotavapor
Anexo N°6. Aceite de café
Anexo N°7 Cálculo del rendimiento
Anexo N° 8. Prueba con acetato de plomo
Anexo N°9. Prueba con gelatina sal
Anexo N°10. Prueba con cloruro férrico
Anexo N°10. Espectrofotometría UV – VIS de catequinas
Anexo N°11. Resultados de espectrofotometría
Anexo N°12 Ficha técnica de taninos catéquicos utilizado en la
vinificación
