Café celular vs real
PLATAFORMA
ANALÍTICA PARA DETERMINAR SIMILITUDES Y DIFERENCIAS ENTRE CAFÉ CULTIVADO EN
CÉLULAS Y CAFÉ CULTIVADO EN FINCAS
Traduccion de carácter educativo sin animo de
lucro del articuilo:
- Analytical
Platform to Determine Similarities and Dissimilarities between
Cell-Cultured Coffee and Farm-Grown Coffee
Jaloliddin Khushvakov, Sebastian E. W. Opitz, Nadja
Plüss, Jasmin Sun, Linda Josefine Manthey, Heiko Rischer, and Chahan Yeretzian
ACS Food Science &
Technology 2024 4 (8), 1890-1903
DOI: 10.1021/acsfoodscitech.4c00238
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsfoodscitech.4c00238
Copyright © 2024
The Authors. Published by American Chemical Society
Resumen
Con el aumento de la demanda mundial de café,
el cultivo de café enfrenta múltiples desafíos, por ejemplo, garantizar el
suministro y reducir su impacto ambiental. Para abordarlos, se proponen
alternativas al café tradicional (TC), como los sustitutos del café y los cafés
cultivados en células (CC). Para evaluar las similitudes y diferencias entre
los cafés tradicionales y alternativos, se presenta un análisis de tres pasos,
que abarca el análisis de precursores sin tostar, el aroma en tostado y el sensorial
en la infusión. El CC sin tostar tiene un mayor contenido de monosacáridos,
menor de aminoácidos y lípidos y un perfil de ácidos orgánicos diferente. Los
ácidos clorogénicos, la cafeína y la trigonelina fueron bajos o nulos. El CC
tostado reveló una menor intensidad de compuestos aromáticos en compuestos que
contienen S y N, aldehídos de Strecker y guayacoles. Sin embargo, los
furfurales, los aldehídos homólogos superiores y los hidrocarburos fueron
abundantes. Esto proporciona un protocolo para trazar el desempeño de las
alternativas al TC y guiar su optimización.
1.
Introducción
El café no es solo una rutina matutina
agradable y una oportunidad para socializar, también nos proporciona energía e
impulsa una economía global. El consumo de café continúa avanzando en una
trayectoria ascendente con un consumo diario actual de 3 mil millones de tazas,
(1,2) un volumen de mercado de $ 540 mil millones y una tasa de crecimiento
anual compuesta (CARG) proyectada del 4,5% de 2024 a 2028. (3)
En contraste con los aspectos positivos del
consumo de café, la producción de café enfrenta enormes desafíos. Estos
desafíos incluyen la degradación del suelo, la pérdida de tierras cultivables,
las pérdidas de cultivos debido al cambio climático y el aumento de la
virulencia de las enfermedades, que han llevado a un éxodo de las áreas
rurales. (4) Además, debido a las pocas perspectivas de obtener ganancias de la
producción de café, los agricultores que quedan a menudo optan por cultivar
cultivos más lucrativos. (5,6) En los últimos años, estos problemas han
afectado a la producción en varios países productores de café importantes,
aunque, hasta ahora, esta reducción de la producción se ha visto compensada en
su mayor parte por rendimientos cada vez mayores en Brasil y Vietnam. (7) Sin
embargo, la presión sobre la producción está aumentando a nivel mundial y
aumentan las preocupaciones por una brecha cada vez mayor entre la oferta y la
demanda. Según la Revisión Anual 2021/22 de la OIC (Organización Internacional
del Café), (8) se estima que el consumo mundial de café ha aumentado a 170,3
millones de sacos de 60 kg en 2021/22 desde 164,9 millones de sacos en 2020/21,
un aumento del 3,3%. Mientras tanto, se cree que la oferta ha disminuido un
2,1% de 170,7 millones de sacos a 167,2. Este es particularmente el caso de Coffea
arabica, que representa alrededor del 60% de la producción de café actual (https://icocoffee.org/ ).
Debido a los crecientes riesgos en el lado de
la oferta y la producción y al aumento constante pero sólido de la demanda y el
consumo de café a nivel mundial, somos cada vez más conscientes de que depender
del café tradicional cultivado en las fincas pronto podría convertirse en un
escenario insostenible. La producción, el transporte y la transformación del
café desde el cultivo hasta la taza requieren un uso intensivo de recursos y
energía, con un alto consumo externo de combustible, fertilizantes, pesticidas,
agua y tierra (9-11). Por lo tanto, existe una necesidad urgente de métodos de
producción de café más sostenibles y a prueba de futuro.
Existen dos vías fundamentalmente diferentes y
complementarias para lograr que nuestra taza de café diaria sea más sostenible
y a prueba de futuro. La primera es desarrollar prácticas más sostenibles a lo
largo de toda la cadena de valor, que incluyan opciones para que los
agricultores obtengan mayores ganancias económicas, por ejemplo, centrándose en
la calidad de la taza. (12,13) Este enfoque requiere estrategias de adaptación para lograr que el café sea más resistente al cambio climático y a la mayor incidencia asociada de plagas y enfermedades. (14) Si
bien ya se están realizando enormes esfuerzos para abordar los problemas del
café tradicional cultivado en fincas, es necesario hacer mucho más para
garantizar un futuro sostenible para la industria del café y las comunidades
que dependen de ella. (4,6)
La segunda vía es desarrollar alternativas al
café tradicional cultivado en granjas, como los sustitutos del café y el café
cultivado en células (CC), que reducirán significativamente el impacto
ambiental. Los sustitutos del café, también conocidos como sustitutos,
comenzaron a surgir a mediados del siglo XIX y se derivaban de componentes de
plantas tostadas como cebada, centeno, cereales malteados, bellotas, achicoria
y varios azúcares. (15) Se introdujeron como sustitutos asequibles,
preferiblemente de plantas locales, que producían una infusión similar al café
cuando se extraían con agua caliente. Un atributo adicional buscado por algunos
segmentos de consumidores también era su bajo contenido de cafeína o su
ausencia de cafeína. Actualmente, varias empresas emergentes como Prefer, Atomo
Coffee, Northern Wonder, Kein Kaffee, Dandy Blend y Daffee están reinventando
los sustitutos del café. El objetivo de sus productos es replicar la
experiencia del café sin usar café real y reducir la huella ecológica en comparación
con el café tradicional cultivado en granjas.
Por el contrario, el café cultivado en células
(CC) es un enfoque mucho más radical para los múltiples desafíos que enfrenta
el café tradicional (TC). Si bien el CC es 100% café, se cultiva en el
laboratorio a partir de células de café para proporcionar, después del secado,
un polvo que se puede tostar y extraer. (16) Además, tiene el potencial de
extender el espacio sensorial del café y ofrecer perfiles sensoriales únicos,
sin dejar de ser un producto 100% café. Actualmente, más del 50% del impacto
ambiental del TC proviene de la producción, en particular del cultivo y el
procesamiento. (17) Al reemplazar estos pasos en el proceso, el café cultivado
en laboratorio podría reducir el impacto en nuestro medio ambiente de múltiples
maneras, como usar menos recursos naturales e insumos externos mediante el
empleo de procesos circulares y cultivar el cultivo durante todo el año,
evitando así fluctuaciones estacionales de la calidad y largas rutas de
transporte. Sin embargo, actualmente no se dispone de un ACV comparativo y
cuantitativo del café tradicional y el cultivado en células.
Una pregunta general que enfrentan todas las
alternativas es qué tan parecidas son al café tostado en términos de
composición química y experiencia sensorial. Aunque el aroma típico del café
solo se libera durante el proceso de tostado, los granos de café verde
contienen todos los precursores necesarios para la formación del sabor. La
calidad del café está fuertemente influenciada por la composición química del
café sin tostar/verde, (18) que se compone principalmente de diferentes
polisacáridos de hemicelulosa, celulosa, sacarosa, proteínas de almacenamiento,
bajos niveles de aminoácidos libres, triglicéridos y otros componentes
lipídicos, varios ácidos orgánicos y ácidos clorogénicos, cafeína, trigonelina
y minerales. (19,20) El sabor típico del café se forma durante el tostado y las
tres familias principales de reacciones químicas responsables de la formación
del sabor son la reacción de Maillard (incluida la degradación de Strecker), la
caramelización y la pirólisis. Las reacciones de Maillard y de caramelización
en particular juegan un papel fundamental en el rico y complejo perfil
sensorial del café tostado. (21,22).
Sin embargo, existe una diferencia notable
entre tostar TC y CC. El TC se tuesta en granos enteros, mientras que el CC es
un polvo. Se especula que las células de los granos verdes, con sus fuertes
paredes celulares, actúan como microrreactores durante el tostado, dentro de
los cuales se producen compuestos aromáticos en procesos químicos que se apoyan
en condiciones de alta presión y alta temperatura. (23) Además, los poros
intactos dentro de los granos enteros tostados también pueden retener
compuestos aromáticos volátiles que probablemente se disuelvan en lípidos. Sin
embargo, estos "microrreactores" están en su mayoría ausentes en el
CC, por lo que el proceso de formación del aroma es probablemente diferente al
de los granos enteros tostados. (24,25) Sin embargo, el método de tostado en
polvo utilizado para el CC puede ser más eficiente energéticamente, debido a su
mayor área de superficie y tiempos de tostado más cortos. (24)
Una vez extraído, el enfoque más común y
relevante para evaluar la infusión es utilizar técnicas sensoriales. El
análisis sensorial del aroma tiene como objetivo identificar notas de fragancia
matizadas, mientras que la evaluación del sabor evalúa aspectos como la acidez,
el dulzor y el amargor.
Además de ser más respetuosas con el medio
ambiente, las alternativas al café deben ofrecer una experiencia sensorial
similar al café que conocemos y disfrutamos. Por lo tanto, desarrollamos un
enfoque analítico de tres pasos que nos permita evaluar objetivamente las
similitudes y diferencias entre el café de campo y los cafés alternativos. Como
prueba de concepto, se comparó un café CC (16) con un café de campo de Perú.
2.
Materiales y métodos
2.1.
Material
2.1.1.
Muestras
Se seleccionó café tradicional (TC) ─granos de
C. arabica lavados y cultivados en fincas de Perú como café verde de
referencia. Café cultivado en células (CC) ─un cultivo en suspensión de células
de C. arabica iniciado y mantenido como se informó previamente. (16) Las
muestras de café TC (granos enteros) y 150 g de CC (polvo liofilizado) se
almacenaron a −80 °C antes del análisis, el tostado y la extracción.
2.1.2. Productos químicos
Disolventes: agua ultrapura (H2O, Sartorius
Arium Pro), acetonitrilo (ACN, grado HPLC, VWR Chemicals), ciclohexano (99,9 %,
VWR Chemicals), isopropanol (IPA, grado LCMS, Honeywell), metanol (MeOH, grado
HPLC, VWR Chemicals); Análisis de aminoácidos: triptófano (100,0 %, Senn
Chemicals), treonina (100,0 %, Senn Chemicals), ácido aspártico (100,0 %, Senn
Chemicals), serina (100,0 %, Senn Chemicals), asparagina (99,0 %, Fluka),
isoleucina (99,0 %, Fluka), leucina (98,0 %, el resto de aminoácidos de Sigma-Aldrich),
fenilalanina (99,0 %), valina (100,0 %), GABA (99,0 %), metionina (98,0 %),
tirosina (98,0 %), prolina (100,0 %), alanina (99,5 %), cisteína (98,0 %),
glicina (99,0 %), ácido glutámico (99,5 %), glutamina (99,5 %), arginina (100,0
%), histidina (100,0 %), lisina (99,7%), ácido fórmico (99,0%, VWR Chemicals);
análisis de azúcar─sacarosa (99,0%, todos los azúcares de Sigma-Aldrich),
d-(+)-glucosa (99,5%), d-(−)-fructosa (99,0%), d-(+)-trehalosa dihidrato
(98,5%); análisis de ácidos orgánicos─gluconato de sodio (Fluka Chemie), ácido
quínico (98,0%, el resto de ácidos orgánicos de Sigma-Aldrich), ácido
d-(+)-málico (99,0%), ácido succínico (99,5%), l-lactato de sodio (99,0%),
ácido propiónico (99,5%), ácido cítrico monohidrato (99,5%) y d4-ácido cítrico
(2,2,4,4-d4, 98%, Cambridge Isotope Laboratories); Cafeína y ácidos
clorogénicos─cafeína (99,0 %, Sigma-Aldrich), ácido 5-O-cafeoilquínico (5-CQA,
98,0 %, Sigma-Aldrich); lipidómica─EquiSPLASH (Avanti Polar Lipids), ácido
d31-palmítico (98,0 %, Sigma-Aldrich), clorhidrato de serotonina (98 %, Alfa
Aesar), formato de amonio (98,0 %, electroforesis SERVA). C16d31–5HT se
sintetizó de acuerdo con el método descrito por Lang et al.; (26) análisis de
elementos─potasio (K, 99,9 %, Roth), fósforo (P, 99,9 %, Roth), magnesio (Mg,
99,9 %, Acros Organics), calcio (Ca, 99,9 %, Roth), azufre (S, 99,9 %,
Sigma-Aldrich), hierro (Fe, 99,9 %, Sigma-Aldrich), sodio (Na, 99,9 %,
Sigma-Aldrich); Análisis de compuestos volátiles: cloruro de sodio (NaCl, 99,0
%, reactivo ACS), dimetilsulfóxido (DMSO, grado GC), acetaldehído (99,4 %,
AcroSeal, Thermo Scientific), acetaldehído-d4 (99,0 % atómico D, 98,0 %,
Sigma-Aldrich), 3-metilbutanal (98,0 %, TCI), 3-metilbutanal-d2 (99,0 % atómico
D, 97,7 %, isótopos CDN), ácido acético (99,5 %, Roth), ácido acético-2,2,2-d3
(99,4 % atómico D, 98,9 %, isótopos CDN), 2-etil-3,5-dimetilpirazina (contiene
2-etil-3,6-dimetilpirazina, 45,5 %, TCI), 2,5-dimetil-3-etil-d5-pirazina (95,0
% de átomos D, Eptes), guaiacol (98,0 %, TCl), guaiacol-d3 (99,8 % de átomos D,
98,2 %, isótopos CDN).
2.2.
Cuantificación de la composición de precursores en café sin tostar (TC y CC)
Se estableció una serie de mediciones
analíticas para cuantificar los principales compuestos precursores y las clases
de compuestos en café sin tostar (TC y CC) (para los resultados de validación,
consulte la Tabla S1). El TC se molió en nitrógeno líquido en un molino de
bolas (Retsch MM400, Alemania) durante 2 minutos a 30 Hz para producir un café
verde molido con una distribución del tamaño de partícula (PSD) comparable a la
PSD del polvo de CC. El CC ya era un polvo y se analizó directamente para detectar
precursores.
2.2.1.
Contenido de proteína
Para determinar el contenido de nitrógeno, se
pesó una muestra de entre 2,5 y 3,5 mg en un recipiente de hojalata (11 × 4 × 4
mm, Elementar Analysensysteme GmbH, Alemania), se selló de forma segura y se
sometió a combustión en un analizador Elemental CHN (Vario Micro Cube,
Elementar Analysensysteme GmbH, Hanau, Alemania). Para determinar el contenido
de proteína cruda en las muestras, el contenido total de nitrógeno medido se
ajustó a su peso seco y se corrigió para tener en cuenta otras fuentes de nitrógeno
en la muestra restando el contenido determinado por separado de cafeína,
trigonelina y aminoácidos libres, antes de multiplicarlo por un factor de 5,5.
(27).
2.2.2.
Contenido de lípidos
Se pesó una muestra de 1 g en un tubo de
celulosa y se extrajo con 100 ml de ciclohexano durante diez ciclos en un
sistema de extracción Soxhlet B-811 (Büchi, Suiza). Después de enfriar, se
evaporó el disolvente en un evaporador rotatorio y el matraz de fondo redondo
se secó durante la noche en un horno de secado a 105 °C. Posteriormente, se
cuantificó gravimétricamente la fracción de lípidos extraídos.
2.2.3.
Extracción para análisis de azúcares, aminoácidos y ácidos orgánicos
Se extrajo una muestra de 250 mg con 5 ml de
agua ultrapura durante 3 h a 300 rpm en un Varioshake S15. Análisis de
azúcares: se diluyó un extracto de 0,5 ml 1:20 con ACN/H2O (95:5, v/v), se
añadieron 80 mg/l de trehalosa como estándar interno (ISTD) antes de filtrar a
través de un filtro de PTFE de 0,20 μm (Macherey-Nagel, Alemania) directamente
en viales de cromatografía. Se preparó una solución madre que contenía 2000
mg/l de glucosa y fructosa y 600 mg/l de sacarosa en agua ultrapura. Se realizó
una curva de calibración para un rango de concentración de 20 a 700 mg/l para
glucosa y fructosa, y de 6 a 210 mg/l para sacarosa. (28) Las mediciones se
llevaron a cabo en un instrumento de cromatografía líquida de alto rendimiento
(HPLC, Agilent Technologies serie 1200) acoplado a un detector de dispersión de
luz evaporativa (ELSD, Agilent Technologies 1290 Infinity II) utilizando una
columna Luna Omega 3 μm SUGAR 100 Å (2,1 × 150 mm, Phenomenex). La fase móvil A
fue H2O/ACN (95:5, v/v) y la fase móvil B fue ACN/H2O (95:5, v/v). La velocidad
de flujo fue de 0,35 ml/min y la elución en gradiente fue la siguiente: 0–3 min
90 % B; 3–8 min 80 % B; 8–10 min 90 % B; y 10–15 min 90 % B.
2.2.4.
Análisis de aminoácidos
Se diluyó un extracto de 0,5 mL 1:10 con
ACN/H2O (72:25, v/v, 0,2 % de ácido fórmico), se añadieron 2 mg/L de
treo-3-hidroxi-l-leucina como ISTD antes de filtrar a través de un filtro de
PTFE de 0,20 μm (Macherey-Nagel, Alemania) directamente en viales de
cromatografía. Se preparó una solución madre que contenía 100 mg/L de todos los
estándares de aminoácidos libres en agua ultrapura con 1 % de ácido fórmico. Se
realizó una curva de calibración para un rango de concentración de 2 a 20 mg/L.
Las mediciones se llevaron a cabo en un instrumento de cromatografía líquida de
ultraalta resolución (UHPLC, Agilent 1290 Infinity II) acoplado a un único Quad
MS (Agilent, InfinityLab LC/MSD) equipado con una fuente de ionización por
electrospray (ESI) utilizando una columna Acquity UPLC BEH Amide de 1,7 μL (2,1
× 100 mm, Waters, Irlanda). La fase móvil A fue H2O/ACN (95:5, v/v) con 0,2% FA
y la fase móvil B fue ACN/H2O (99:1, v/v) con 0,2% FA. La velocidad de flujo
fue de 0,4 mL/min y la elución en gradiente fue la siguiente: 0–1 min 90% B;
1–2 min 80% B; 2–5 min 77% B; 5–6 min 60% B; 6–8 min 60% B; 8–10 min 90% B; y
10–15 min 90% B.
2.2.5.
Análisis de ácidos orgánicos
Se diluyó un extracto de 0,5 mL 1:20 con agua
ultrapura (v/v), se añadieron 5 mg/L de ácido d4-cítrico como ISTD antes de
filtrar a través de un filtro de celulosa regenerada de 0,22 μm (BGB, Alemania)
directamente en viales de cromatografía. Se preparó una solución madre que
contenía 1000 mg/L de cada uno de los siguientes ácidos: glucónico, quínico,
málico, cítrico, succínico, láctico y propiónico en agua ultrapura. Se realizó
una curva de calibración para un rango de concentración de 2 a 80 mg/L. Las mediciones
se llevaron a cabo en un instrumento UHPLC (Agilent 1290 Infinity II) acoplado
a un único Quad MS (Agilent, InfinityLab LC/MSD) equipado con una fuente de
ionización por electrospray (ESI) utilizando una columna Acquity UPLC HSS T3 de
1,8 μm (2,1 × 100 mm, Waters, Irlanda) y precolumna. (29) La fase móvil A fue
H2O con 0,2 % FA y la fase móvil B fue ACN/H2O (80:20, v/v). La velocidad de
flujo fue de 0,3 ml/min y la elución en gradiente fue la siguiente: 0–3,5 min 0
% B; 3,5–3,7 min 100 % B; 3,7–4,7 min 100 % B; 4,7–4,9 min 0 % B; y 4,9–7 min 0
% B.
2.2.6.
Análisis de cafeína y ácidos clorogénicos
Se extrajo una muestra de 1,2 g con 20 mL de
agua caliente (5 min, 92 °C, 300 rpm), se filtró a través de papel de filtro y,
posteriormente, se transfirió a tubos de centrífuga. El extracto se diluyó 1:50
con H2O/MeOH (90:10, v/v) y se filtró a través de un filtro de PTFE de 0,22 μm
(Macherey-Nagel, Alemania) directamente en viales de cromatografía. Se preparó
una solución madre que contenía 500 mg/L de cafeína y 5-CQA en H2O/MeOH (92:8,
v/v). Se realizó una curva de calibración para un rango de concentración de 10
a 375 mg/L para cafeína, 5 a 125 mg/L para 5-CQA. Las mediciones se llevaron a
cabo en un instrumento HPLC (Agilent Technologies 1260 Infinity) acoplado a un
DAD (Agilent Technologies, serie 1200) utilizando una columna InfinityLab
Poroshell 120 EC C18 de 2,7 μm (2,1 × 100 mm, Agilent, EE. UU.). La fase móvil
A fue H2O/MeOH 92:8 (v/v) con 0,1 % FA y la fase móvil B fue MeOH/H2O 96:4
(v/v) con 0,1 % FA. La velocidad de flujo fue de 0,25 ml/min y la elución en
gradiente fue la siguiente: 0–4 min 4 % B; 4–10 min 20 % B; 10–16 min 40 % B;
16–17 min 70 % B; 17–19 min 70 % B; 19–20 min 4 % B; y 20–35 min 4% B. El
detector UV se ajustó a 275 nm para el análisis de cafeína y a 325 nm para el
análisis de CQA (ver Tabla S1). (30).
2.2.7.
Análisis lipidómico
Se extrajo una muestra de 10 mg con 500 μL de
IPA, se añadió ISTD (1 mg/L) en tubos Eppendorf de 2 mL y se agitó en vórtex
durante 30 s. Posteriormente, los tubos se colocaron en un baño ultrasónico
durante 15 min y se centrifugaron durante 20 min (RCF = 9000 g). A
continuación, se decantó el disolvente y se filtró a través de un filtro polar
de celulosa de 0,2 μm directamente en viales de cromatografía. Las mediciones
se realizaron en un UHPLC Agilent 1290 Infinity II series acoplado a un UHD
Accurate Q-ToF 6540 equipado con una fuente de ionización por electrospray
(ESI) utilizando una columna Acquity Premier CSH C18 de 1,7 μm (2,1 × 100 mm,
1/pk, Waters, Irlanda). Las muestras se midieron en modo automsms utilizando la
fase móvil A─ACN/H2O (60:40, v/v) y la fase móvil B─IPA/ACN (90:10, v/v), ambas
con 0,1 % de FA y 10 mM de formiato de amonio. El gradiente de elución fue el
siguiente: 0–2 min 40 % B; 2,0–2,1 min 43 % B; 2,1–12,0 min 50 % B; 12,0–12,1
min 54 % B; 12,1–18,0 min 70 % B; 18,0–18,1 min 99 % B; 18,1–25,0 min 40 % B.
(31) Los lípidos se identificaron utilizando MS-Dial (versión 4.80, RIKEN) para
la identificación de la clase de lípidos LPC, PC, PE, PI, FA, DAG, TAG. Además,
se utilizaron NIST (versión 2.4) y la base de datos hr-msms-nist (NIST20 Tandem
Mass Spectral Library) para identificar diterpenos y esteroles.
2.2.8.
Análisis de elementos
Se pesó una muestra de 0,4 g en un recipiente
de digestión por microondas. Se añadieron 7 ml de ácido nítrico al 70 % y 1 ml
de H2O2 al 30 % en un recipiente en una campana extractora. Los recipientes se
sellaron y se colocaron en un horno microondas para la digestión. A
continuación, los productos de digestión se transfirieron a matraces
volumétricos enjuagados, se llenaron con 50 ml de agua ultrapura y se
transfirieron a un tubo de centrífuga para las mediciones. Se preparó una
solución madre que contenía 1000 mg/l de cada uno de K, P, Mg, Ca, S, Fe y Na
en agua ultrapura con ácido nítrico al 10 %. Se realizó una curva de
calibración para un rango de concentración de 5 a 25 mg/l para K, P, Mg y Ca; 2
a 10 mg/l para S; 0,2 a 1 mg/l para Fe; 0,03 a 0,15 mg/l para Na. Los
experimentos se llevaron a cabo en un espectrómetro de emisión atómica de
plasma acoplado inductivamente (Agilent Technologies 5110 ICP-OES) equipado con
un muestreador automático SPS 4 (Agilent Technologies). (32)
2.2.9.
Análisis del contenido de humedad
Se secó una muestra de 1 g a 105 °C durante 72
h hasta que las lecturas de peso de una balanza analítica (Mettler Toledo
XP205) fueron constantes. Se realizó un análisis de la actividad de agua (aw)
en una muestra de 5 g utilizando un medidor de actividad de agua (Rotronic,
AwTherm).
2.3.
Tostado de café
Tanto el TC como el CC se tostaron a un grado
de tueste medio. En el caso del TC, se utilizó 105 Colorette (Colorette, Probat
4, Alemania). Los granos enteros de TC se tostaron en una tostadora de muestras
eléctrica (ROEST S100, Noruega) y, posteriormente, se molieron (Fiorenzato F64
Evo Pro, Italia) para obtener café tostado y molido (R&G-TC). Además del
tostado de los granos enteros de TC, también se tostó el TC molido para
estudiar el efecto de la falta de estructura 3D del grano en la formación del
aroma y para imitar parcialmente las condiciones de tostado del CC. Dado que ni
el TC verde molido ni el polvo de CC se podían tostar en una tostadora de
muestras comercial, se diseñó y puso en funcionamiento un “Nanoroaster” hecho a
medida en CEKAtec AG (Wattwil, Suiza, https://www.ceka.ch /). El Nanoroaster
permitió tostar lotes pequeños de TC finamente molido y unos pocos gramos de
CC, lo que dio como resultado la producción de TC primero molido y luego
tostado (G&R-TC) y CC tostado (R-CC). Cuatro sensores de temperatura
monitorearon el proceso de tostado de 580 s de duración a una velocidad de
registro de 1 Hz: (1) insertado en el tambor, (2) en contacto con la superficie
exterior del tambor, (3) fijado al conjunto del calentador de inducción y (4)
un sensor de temperatura infrarrojo (IR) que mide la temperatura de la
superficie exterior del tambor (consulte la Figura S1 y la Tabla S3 en
“Información complementaria” para obtener más detalles). Inicialmente, se
aplicaron 135 W durante 20 s, después de lo cual se aumentó la potencia a 225 W
durante 100 s hasta que se alcanzó una temperatura de 175 °C. Luego, la
temperatura se mantuvo entre 170 y 180 °C durante 460 s hasta el final del
tostado, cuando el tambor se enfrió inmediatamente en hielo para detener el tostado.
2.4.
Análisis de café tostado
2.4.1.
Cuantificación de compuestos aromáticos en café tostado (R&G-TC, G&R
-TC y R-CC) con análisis de dilución de isótopos estables HS-SPME-GC-MS (SIDA)
Las muestras de café tostado y molido se
homogeneizaron con una espátula durante 1 minuto y se pesaron muestras de 300
mg en viales con espacio de cabeza, que luego se sellaron después de 10
minutos. Después de humedecer las muestras con 3 mL de agua ultrapura, se
añadieron 50 μL de solución ISTD en DMSO (incluyendo 450 mg/L de
acetaldehído-d4, 250 mg/L de 3-metilbutanal-d2, 16 g/L de ácido
acético-2,2,2-d3, 20 mg/L de 2,5-dimetil-3-etil-d5-pirazina, 50 mg/L de
guayacol-d3) con una jeringa hermética (250 μL, Hamilton, Suiza), así como 2 mL
de solución de NaCl de 250 g/L. (33,34) Los viales se cerraron inmediatamente y
se colocaron en el armario de secado durante 10 min a 40 °C y luego se agitaron
durante 10 min a 150 rpm, antes de colocarlos en un muestreador automático a 15
°C para las mediciones. Las muestras se aleatorizaron y analizaron en un
instrumento de cromatografía de gases (GC, Agilent Technologies 7890A) acoplado
a un único MSD Quad (Agilent Technologies 5975C) equipado con un muestreador
multipropósito (MPS, Gerstel, Suiza). Se utilizó una fibra SPME de
divinilbenceno/carboxeno/polidimetilsiloxano (DVB/CAR/PDMS) (película de 50/30
μm, Supelco, Sigma-Aldrich, EE. UU.) y una columna Stabilwax (polietilenglicol
crossbond carbowax, 60 m × 320 μm × 1 μm, Restek, EE. UU.). Los parámetros de
MPS fueron los siguientes: incubación −6 min a 40 °C, agitado a 250 rpm; tiempo
de extracción −30 min. Se utilizó helio como gas portador a una velocidad
constante de 1,6 ml/min y se aplicó el siguiente programa de temperatura: 35 °C
durante 3 min, se calentó a 245 °C a 7,5 °C/min y se mantuvo a 245 °C durante 3
min. La adquisición de datos comenzó después de 3,75 min utilizando un barrido
completo simultáneo (m/z 20-250) y un monitoreo selectivo de iones (SIM) para tiempos
de retención seleccionados (consulte la Tabla S2). Los COV se identificaron
provisionalmente en Agilent MassHunter Unknowns Analysis (versión 11.1)
utilizando la base de datos NIST20 (mainlib y replib). Se seleccionaron
compuestos con un factor de coincidencia mínimo de ≥85% y se utilizaron los
iones de fragmentos más intensivos para la cuantificación. Los compuestos
volátiles restantes se normalizaron utilizando los compuestos marcados con
isótopos del rango de elución respectivo (consulte la Tabla S4 para obtener más
detalles). Los índices de retención (IR) de los COV se calcularon en función de
una mezcla de n-alcanos inyectada (C6–C20) y los COV identificados se
clasificaron en cuatro niveles diferentes según su precisión de IR (Tabla S4).
(35)
2.4.2.
Distribución del tamaño de partículas de café tostado y sin tostar
Se realizó un análisis dinámico de imágenes de
muestras de café tostado y sin tostar de TC y CC, y de G&R-TC y R-CC
utilizando un Camsizer X2 (RETSCH Technology, Haan, Alemania), equipado con un
sistema de doble cámara (una cámara básica – CCD-B y una cámara con zoom –
CCD-Z), y acoplado con un módulo X-Flow. Inicialmente, se llenó un baño de
dispersión con agua filtrada, sometida a diez ciclos de tratamiento ultrasónico
de cinco segundos para eliminar las burbujas. Posteriormente, se dispersó una pequeña
cantidad de la muestra de café en agua utilizando un ultrasonido y una bomba
centrífuga hasta que la proporción de las imágenes cubiertas por partículas
osciló entre el 0,3 y el 0,7 %. A partir del análisis de 100.000 imágenes
capturadas, se extrajo información sobre el tamaño y la forma de las
partículas, incluidas las proporciones incrementales (p3) y acumulativas (Q3)
junto con la longitud de cuerda más corta (xc min), que representa la cuerda
más corta del conjunto medido de cuerdas máximas de una proyección de
partículas.
2.5.
Análisis de datos
El análisis de datos, incluidos el análisis de
componentes principales (PCA) y los análisis de mapas de calor, se realizó
utilizando el software R (versión 4.2.1). Los detalles sobre la adquisición y
la evaluación de datos se pueden encontrar en la sección Información
complementaria.
2.6.
Análisis sensorial del extracto de café tostado cultivado con células (E-CC)
El R-CC se extrajo con un AeroPress utilizando
el siguiente procedimiento: se colocaron 1,3 g de café tostado en la cámara del
AeroPress, seguido de la adición de 22-23 ml de agua filtrada a 92 °C, lo que
dio como resultado una relación de preparación de 1:16. Después de agitar
suavemente durante aproximadamente 80 s, la tapa del filtro con un papel de
filtro previamente enjuagado se colocó en el Aeropress y se expulsó el exceso
de aire. Luego se invirtió el AeroPress, se presionó el émbolo durante 30 s para
extraer la infusión (E-CC), que luego se sirvió para catar. Se seleccionó esta
técnica de preparación porque se podía aplicar con alta consistencia para
extraer incluso las cantidades más pequeñas de café tostado (hasta 1 g).
La evaluación sensorial de la infusión se
realizó por triplicado, por un panel de tres expertos capacitados en la
sensibilidad al café (Q-Grader: https://www.coffeeinstitute.org/
). Considerando las pequeñas cantidades de cultivo celular de café disponibles
para todo el estudio (150 g de CC liofilizado), se aplicó un protocolo
sensorial simplificado. Se pidió a los catadores que anotaran los atributos
principales que caracterizan la infusión del café cultivado en células (E-CC).
Los catadores revisaron conjuntamente los atributos y acordaron un conjunto
común de descriptores sensoriales que describían mejor la impresión sensorial
del E-CC. El resultado de esta cata de expertos se informa en la Información
complementaria.
3.
Resultados/Discusiones
Se desarrolló un protocolo analítico de tres
pasos para identificar similitudes (ajustes) y diferencias (brechas) entre
cafés tradicionales y alternativos. Como prueba de concepto, se aplicó para
comparar un CC con granos de café Arábica verde lavado de Perú (Figura 1). (16)
Primero, se analizaron precursores de aroma importantes tanto en el CC como en
el TC. Segundo, ambos cafés fueron tostados y se midieron los compuestos
típicos del aroma del café en (i) café tostado y molido tradicionalmente
(R&G-TC), (ii) TC que primero fue molido y luego tostado (G&R-TC) y
(iii) café tostado de cultivo celular (R-CC). Finalmente, se evaluó el perfil
sensorial del R-CC extraído (E-CC). En cada uno de estos tres pasos, se realizó
una comparación detallada entre CC y TC para cuantificar posibles ajustes y
brechas.
Figura 1. Representación esquemática que
describe los tres pasos de la comparación entre café cultivado con células y
café tradicional. Incluye análisis de precursores de aroma en café sin tostar
(TC y CC), análisis de compuestos aromáticos de café en café tostado
(R&G-TC, G&R-TC y R-CC) y análisis sensorial de café cultivado con
células preparado (E-CC).
3.2.
Composición de precursores del café tradicional sin tostar (TC)
La composición de precursores del TC sin
tostar fue consistente con los hallazgos previos y sirvió como punto de
referencia (ver Tabla 1 y Figura 2). (15) La sacarosa fue el principal
compuesto soluble en agua en los granos de TC con un 9,39% del peso seco
total (PS). Sin embargo, la glucosa y la fructosa solo contribuyeron
mínimamente a la fracción de bajo peso molecular de los carbohidratos con un
0,57 y un 0,25%, respectivamente. La sacarosa, un precursor vital en la
formación del aroma, se hidroliza durante las etapas iniciales del tueste para
formar azúcares reductores que participan en las reacciones de Maillard y
caramelización. (36) La caramelización de los carbohidratos produce
derivados de furano y furfurales, que agregan notas de caramelo, dulces y de
condimento al café. (37) El contenido de proteína total y el contenido de
aminoácidos libres en el TC fueron del 9,55% y el 0,26% del PS,
respectivamente. El contenido total de proteínas se calculó analizando el
contenido total de nitrógeno (N), seguido de la resta del contenido total de N
del contenido de N de cafeína, trigonelina y aminoácidos libres y multiplicando
por 5,5. (27) Los carbohidratos y las proteínas/aminoácidos libres representan
un grupo importante de precursores de los compuestos aromáticos inducidos por
el tueste producidos durante las reacciones de Maillard, que crean una variedad
de compuestos aromáticos volátiles, como dicetonas, pirazinas, pirroles,
piridinas, oxazoles, tiazoles, ácidos alifáticos y otros que son responsables
de las notas sensoriales tostadas, a caramelo, a nueces, a cacao, terrosas y a
moho del café. (38,39) La degradación de aminoácidos por Strecker produce
aldehídos aromáticos clave, compuestos S e intermediarios críticos para las
alquilpirazinas. (23,40).
Tabla 1. Composición química de compuestos no
volátiles en café de cultivo celular sin tostar (CC), granos de café
tradicionales (TC) de Perú y café verde arábico en general (15,20)a
|
Constituyentes |
Constituents |
CC
(% DW) |
TC
(% DW) |
Arabica
(% DW) |
|
azucares
libres |
free
sugars |
52.05 ± 0.59*** |
10.21 ± 0.19 |
6.2–9.5 |
|
sucrosa |
sucrose |
0.60 ± 0.02*** |
9.39 ± 0.14 |
5.3–9.3 |
|
fructosa |
fructose |
29.13 ± 0.29*** |
0.25 ± 0.01 |
0.02–0.4 |
|
glucosa |
glucose |
22.32 ± 0.28*** |
0.57 ± 0.04 |
0.01–0.5 |
|
proteínas |
proteins |
8.06 ± 0.06* |
9.37 ± 0.63 |
8.5–12 |
|
aminoácidos |
amino
acids |
0.07 ± 0.00*** |
0.26 ± 0.00 |
0.2–0.8 |
|
alanina |
alanine |
0.004*** |
0.024 |
0.02–0.08 |
|
arginina |
arginine |
nd** |
0.002 |
0.015–0.06 |
|
asparagina |
asparagine |
nd*** |
0.043 |
0.045–0.11 |
|
acido
aspártico |
aspartic
acid |
nd*** |
0.019 |
0.015–0.05 |
|
cisteína |
cysteine |
Nd |
nd |
traces–0.04 |
|
GABA |
GABA |
0.002*** |
0.011 |
0.01–0.05 |
|
acido
glutámico |
glutamic
acid |
0.002** |
0.078 |
0.04–0.13 |
|
glutamina |
glutamine |
0.002** |
0.007 |
0.005–0.01 |
|
glicina |
glycine |
0.001** |
0.002 |
0.01 |
|
histidina |
histidine |
nd*** |
0.001 |
0.005–0.01 |
|
isoleucina/leucina |
isoleucine/leucine |
0.009** |
0.012 |
0.01–0.02 |
|
lisina |
lysine |
Nd |
nd |
0.005–0.01 |
|
metionina |
methionine |
Nd |
nd |
traces–0.003 |
|
fenilalanina |
phenylalanine |
0.013* |
0.012 |
0.01–0.02 |
|
prolina |
proline |
0.002*** |
0.019 |
0.01–0.03 |
|
serina |
serine |
0.004*** |
0.016 |
0.02–0.03 |
|
treonina |
threonine |
0.030*** |
0.003 |
0.005–0.02 |
|
triptófano |
tryptophan |
0.005* |
0.006 |
0.01–0.03 |
|
tirosina |
tyrosine |
nd*** |
0.005 |
0.005–0.06 |
|
valina |
valine |
nd*** |
0.002 |
0.005–0.02 |
|
lípidos |
lipids |
1.98 ± 0.46** |
13.84 ± 0.47 |
15–18 |
|
ácidos
orgánicos |
organic
acids |
1.86 ± 0.51* |
3.70 ± 0.14 |
2–2.9 |
|
acido
cítrico |
citric |
nd*** |
1.36 ± 0.03 |
0.5–1.5 |
|
acido
málico |
malic |
nd** |
0.61 ± 0.03 |
0.3–0.7 |
|
acido
quínico |
quinic |
1.18 ± 0.30 |
1.55 ± 0.04 |
0.3–0.8 |
|
acido
glucónico |
gluconic |
0.52 ± 0.11* |
0.11 ± 0.01 |
|
|
acido
láctico |
lactic |
0.16 ± 0.10 |
0.03 ± 0.03 |
0–0.06 |
|
acido
succínico |
succinic |
Nd |
nd |
0–0.2 |
|
acido
propiónico |
propionic |
Nd |
nd |
|
|
acido
acético |
acetic |
nd*** |
0.04 ± 0.00 |
0–0.07 |
|
acido
clorogénico |
chlorogenic
acids |
0.07 ± 0.00*** |
8.11 ± 0.23 |
6.7–9.2 |
|
5-CQA |
5-CQA |
0.07 ± 0.00*** |
4.80 ± 0.10 |
3.26–6.41 |
|
4-CQA |
4-CQA |
nd** |
0.72 ± 0.04 |
0.32–0.86 |
|
3-CQA |
3-CQA |
nd** |
0.44 ± 0.02 |
0.32–0.73 |
|
3,4-di-CQA |
3,4-di-CQA |
nd*** |
0.42 ± 0.01 |
0.12–0.28 |
|
3,5-di-CQA |
3,5-di-CQA |
nd** |
0.68 ± 0.04 |
0.31–0.57 |
|
4,5-di-CQA |
4,5-di-CQA |
nd*** |
0.38 ± 0.00 |
0.16–0.39 |
|
4-FQA |
4-FQA |
nd** |
0.16 ± 0.01 |
0.04–0.06 |
|
5-FQA |
5-FQA |
nd*** |
0.51 ± 0.01 |
0.25–0.31 |
|
cafeína |
caffeine |
0.15 ± 0.00*** |
1.34 ± 0.01 |
0.8–1.4 |
|
trigonelina |
trigonelline |
nd*** |
0.73 ± 0.02 |
0.6–1.2 |
|
minerales |
minerals |
2.59 ± 0.13* |
2.28 ± 0.04 |
3–5.4 |
|
potasio
(K) |
potassium
(K) |
1.46 ± 0.07 |
1.56 ± 0.01 |
1.21–2.14 |
|
calcio
(Ca) |
calcium
(Ca) |
0.43 ± 0.02** |
0.12 ± 0.00 |
0.08–0.19 |
|
magnesio
(Mg) |
magnesium
(Mg) |
0.07 ± 0.00** |
0.22 ± 0.00 |
0.01–0.22 |
|
sodio
(Na) |
sodium
(Na) |
0.04 ± 0.01 |
0.06 ± 0.03 |
0.002–0.12 |
|
fosforo
(P) |
phosphorus
(P) |
0.36 ± 0.02** |
0.18 ± 0.00 |
0.02–0.16 |
|
azufre
(S) |
sulfur
(S) |
0.22 ± 0.01** |
0.14 ± 0.00 |
0.11–0.13 |
|
hierro
(Fe) |
iron
(Fe) |
0.014 ± 0.00** |
0.004 ± 0.00 |
0.001–0.011 |
|
carbohidratos
y otros (b) |
33.17 ± 1.75** |
50.16 ± 1.73 |
49–57 |
aLos
compuestos individuales, así como las clases de compuestos, se presentan como
porcentajes del peso seco de las muestras de café (% DW), lo que proporciona
una comparación directa para identificar coincidencias y brechas entre CC y TC.
Junto con las fracciones solubles, la proporción no contabilizada de las
muestras de café se resumió como "carbohidratos insolubles y otros"
al final de la tabla. Las diferencias significativas entre CC y TC se
calcularon utilizando una prueba t, y los niveles de significancia se indican
mediante (*p ≤ 0,05), (**p ≤ 1 × 10–3), (***p ≤ 1 × 10–6). nd = no detectado.
bLos
carbohidratos insolubles no se cuantificaron en este estudio. (fig 2)
Figura 2. Se muestra la participación
porcentual de las clases químicas no volátiles en el café tradicional sin
tostar (TC) de Perú y en el café de cultivo celular (CC). Las clases químicas
coloreadas individualmente suman hasta el 100% del peso seco del café y, aparte
de los carbohidratos insolubles, se cuantificaron individualmente. La fracción
de carbohidratos y otros no contabilizados comprendía los polisacáridos
insolubles del café y otros compuestos menores.
El contenido de lípidos, incluidos los ácidos
grasos libres, representó el 13,8 % del peso seco en el café tostado. Los
lípidos contribuyen a la textura y la sensación en boca del café, pero también
son precursores de los compuestos del sabor del café. Pueden estar involucrados
en la degradación de Strecker y las reacciones de Maillard durante el tostado y
formar compuestos aromáticos volátiles; por ejemplo, el furano también puede
formarse por oxidación térmica de los lípidos. (41) Además, los productos de
oxidación de los lípidos, como los ácidos grasos poliinsaturados, el ácido
linoleico y el ácido palmítico (dos ácidos grasos principales en el café
tostado) pueden conducir a la formación de productos de oxidación secundarios,
como alcanales, alquenales y alcadienales. (42) Al absorber los componentes
hidrofóbicos del sabor, los lípidos también contribuyen indirectamente al sabor
del café. Se ha demostrado que los lípidos tienen una fuerte capacidad de
retención del aroma, debido a la naturaleza lipofílica de algunos odorantes.
(43)
El contenido de ácido orgánico fue de 3,7 % de
peso seco en el café tostado. Los ácidos orgánicos tienen un gran impacto en la
percepción de acidez y sensación en boca en el café tostado, pero también
pueden influir en la percepción afrutada de un café. Mientras que el ácido
cítrico y málico se reducen gradualmente durante el tostado, otros ácidos, como
el ácido acético, láctico y quínico, aumentan durante las etapas iniciales del
tostado, antes de disminuir posteriormente (44), lo que da como resultado una
percepción decreciente de la acidez, especialmente en tostados más oscuros.
El contenido total de ácido clorogénico (CGA)
fue de 8,11 % en peso seco, mientras que el contenido de cafeína, trigonelina y
minerales en TC fue de 1,34, 0,73 y 2,28 %, respectivamente. Debido a la
inestabilidad térmica, hasta el 90 % de los CGA sufren una degradación y
transformación progresiva en los tostados oscuros, lo que produce ácido quínico
y lactonas de ácido clorogénico y fenilindanos de sabor amargo, que
proporcionan una mayor percepción de amargor en los tostados más oscuros.
(45−47) Al mismo tiempo, una mayor descomposición genera compuestos fenólicos
activos en el sabor, como guayacoles, 4-etil guayacol y 4-vinil guayacol. (48)
La trigonelina sufre una degradación inducida parcialmente por el tostado que
produce ácido nicotínico, así como derivados volátiles de piridina y pirrol,
mientras que la cafeína y los minerales permanecen en su mayoría inafectados
por el proceso de tostado. (49,50)
En general, la composición cuantificada del
café verde estuvo de acuerdo con los valores de la literatura (consulte la
Tabla 1 para comparar el TC con el Arábica en general). Los carbohidratos
insolubles como la hemicelulosa y la celulosa, así como otros compuestos
diversos que no se cuantificaron directamente en nuestro estudio, se
determinaron restando los compuestos y las clases de compuestos cuantificados
anteriormente del peso seco inicial del café verde. Esta fracción está dominada
por polisacáridos insolubles y se calculó que es aproximadamente el 50,2 % del
peso seco en el TC, lo que coincide con la literatura. (15) Durante el proceso
de tostado, los carbohidratos insolubles también pueden degradarse
parcialmente, dependiendo de su composición estructural y accesibilidad. Por
ejemplo, los arabinogalactanos ramificados se despolimerizan y participan en la
formación de sabor y melanoidina, mientras que otras estructuras
supramoleculares como la celulosa y el manano experimentan solo cambios
mínimos. (22,51) Los polisacáridos también contribuyen al desarrollo del aroma
durante el tostado, y sirven como precursores en la formación de furano y
alquil-furano. (52) Además, también juegan un papel crucial en la retención del
sabor y proporcionan atributos organolépticos clave a la infusión de café, como
la viscosidad y la sensación en boca. (53)
3.3.
Composición de los precursores del café cultivado en células sin tostar (CC)
La composición de los azúcares libres difirió
mucho entre el café cultivado en células y el CC. La glucosa con un 22,32 % del
peso seco y la fructosa con un 29,13 % del peso seco fueron los compuestos
dominantes en el CC y en niveles comparables a los de otros cultivos de células
vegetales. (54) Sin embargo, el contenido de sacarosa fue de solo un 0,60 % del
peso seco en el CC, nuevamente dentro del rango típico observado en otros
cultivos de células, (55) pero mucho menor que en el café arábico convencional
(véase la Tabla 1). El cultivo de células de café se cultiva en la oscuridad y
solo se agrega inicialmente sacarosa al medio. Si bien parte de la sacarosa ya
puede hidrolizarse durante la esterilización en autoclave del medio, (56) la
mayor parte se hidroliza lentamente durante el cultivo por lotes (57) y los
monómeros quedan disponibles para su absorción por las células. A diferencia de
las hojas, donde la fuente principal de producción de azúcar es la
fotosíntesis, la composición de azúcar en los granos de café varía con la
madurez. Los granos inmaduros contienen niveles más altos de glucosa y
fructosa, que posteriormente se transforman en sacarosa para reducir la presión
osmótica en las células del endospermo. (58) Los altos niveles de glucosa y
fructosa desencadenarán reacciones de caramelización que conducen a la
formación de furfurales, (59) y también se fragmentarán para producir ácidos
alifáticos simples. (60)
El CC contenía solo un contenido de proteína
cruda ligeramente menor (8,1 % DW), pero significativamente menos aminoácidos
libres (0,07 %) en comparación con el TC. El CC contenía niveles más bajos de
prolina libre, alanina, ácido glutámico, glutamina, serina y ácido
gamma-aminobutírico (GABA), niveles similares de isoleucina/leucina, glicina,
triptófano y fenilalanina, pero niveles más altos de treonina. Además, la
valina, el ácido aspártico, la asparagina, la arginina y la histidina solo
estaban presentes en el TC y por debajo del límite de detección en el CC. Los
aminoácidos libres son precursores importantes de compuestos clave del aroma
del café, como el acetaldehído, el hidroxi-propanal, el 2-metilpropanal, el
3-metilbutanal, el 2-metilbutanal, el 2-fenilacetaldehído, el
hidroxi-acetaldehído, (61) que pueden generarse a través de la degradación de
Strecker de sus aminoácidos estructuralmente relacionados. (62) Además, los
monosacáridos también pueden interactuar con los grupos amino libres activos de
Maillard para formar una amplia gama de compuestos aromáticos (ver arriba).
En comparación con el 14% en TC, CC contenía
una cantidad significativamente menor de lípidos de solo 2% DW. (63) Los
lípidos contribuyen de múltiples maneras a la experiencia sensorial del café,
(64) pero el impacto en CC es considerablemente menor que en TC. No solo la
proporción absoluta de lípidos fue diferente en CC en comparación con TC, sino
que el perfil lipídico también se caracterizó por una composición diferente,
incluidos niveles más altos de esteroles, (65) ceramidas y
monogalactosildiacilgliceroles (MGDG), niveles más bajos de
fosfatidiletanolaminas (PE), fosfatidilcolinas (PC) y diacilgliceroles (DAG),
la ausencia casi completa de triacilglicéridos (TAG) y la ausencia total de
βN-alcanoil-5-hidroxitriptamidas (Cn-5HT). Además, los lípidos esterificados
con ácidos grasos poliinsaturados n-3, como C18:3n-3, fueron significativamente
más abundantes en CC que en TC (ver Figura S2). Los TAG y DAG sirven como una
reserva de energía almacenada en forma de gotitas de lípidos en orgánulos
específicos en los granos verdes para el metabolismo embrionario después de la
germinación, (66) y es probable que no estén presentes en CC cultivado a partir
de hojas de café. Los Cn-5HT son otra clase de compuestos que no se encuentran
en CC pero son característicos de TC ya que son parte de la cutícula en la
superficie de los granos de café verde. Se sabe que los Cn-5HT causan
irritación gástrica en humanos a través del aumento de la secreción de protones
en el estómago (26) y la ausencia de Cn-5HT en CC podría ser beneficiosa en
términos de prevención de la irritación gástrica. Finalmente, tanto TC como CC
contenían cafestol y kahweols, (65) que están vinculados a varios beneficios
para la salud, incluyendo antiinflamatorios, anticancerígenos y antidiabéticos.
(67).
La concentración total de ácidos orgánicos en
el café CC fue de 1,86%, lo que representaba solo la mitad del contenido en el
café TC. Mientras que el ácido cítrico y el málico estaban ausentes en el café
CC, el nivel de ácido quínico (1,18%) era comparable al del café TC. También
hubo niveles más altos de ácido glucónico (0,52%) y ácido láctico (0,16%) en el
café CC, que son indicios de mayores procesos de oxidación y fermentación,
respectivamente.
El café CC contenía niveles significativamente
más bajos de metabolitos secundarios del café, con niveles especialmente bajos
de ácidos clorogénicos (0,07%) y cafeína (0,15%), (68) y no se detectó
trigonelina en absoluto. Los niveles bajos de estos compuestos podrían estar
relacionados con el cultivo en ausencia de luz, (16) el genotipo específico u
otros parámetros de cultivo. Al tostar, los valores bajos de ácidos
clorogénicos conducirán a niveles reducidos de compuestos fenólicos volátiles
importantes como los guayacoles (23) en el café CC, así como a una reducción
del amargor general (ver arriba).
El efecto psicoactivo de la cafeína también
sería limitado en una infusión producida a partir de CC tostado. (69) Durante
la última década, varios estudios han concluido que el consumo moderado de
café/cafeína puede ser parte de una dieta saludable, contribuyendo a un mayor
estado de alerta, concentración y bienestar. (70,71) En particular, el
consumo de café/cafeína durante toda la vida se ha asociado con la prevención
del deterioro cognitivo y la reducción del riesgo de desarrollar accidente
cerebrovascular, enfermedad de Parkinson y enfermedad de Alzheimer. (71)
Sin embargo, dependiendo de la sensibilidad personal, la cafeína también puede
afectar negativamente la calidad del sueño o aumentar los niveles de ansiedad
cuando se consumen grandes cantidades de café. Dado el bajo contenido de
cafeína en CC, podría ser una opción interesante para las personas que desean
regular su consumo de cafeína. (69)
Exponer cultivos celulares al estrés puede
aumentar la expresión de cafeína en las células vegetales a niveles de hasta
453 mg/L en el cultivo en suspensión. (72,73) Sin embargo, concentraciones
excesivamente altas de cafeína (900–1000 mg/L) en el medio inhibieron el
crecimiento de “callus” y, por lo tanto, también la formación de cafeína. (74).
Callus: Dureza que por presión, roce y a
veces lesión se forma en tejidos animales o vegetales.
Al comparar la composición de elementos, el
contenido total de elementos de CC (2,6 % del peso seco) fue comparable al de
TC (2,3 % del peso seco), aunque con algunas diferencias notables. Si bien el
potasio (K) fue el elemento predominante en ambas muestras de café, CC contenía
niveles 1,6 veces más altos de azufre (S), niveles 2 veces más altos de fósforo
(P) y niveles 3,6 veces más altos de calcio (Ca) y hierro (Fe), mientras que
los niveles de magnesio (Mg) y sodio (Na) fueron 3 veces y 1,4 veces más bajos,
respectivamente.
Después de restar todos los compuestos
solubles que se cuantificaron para CC, la parte restante del peso seco de CC se
explicó por carbohidratos insolubles y otros compuestos diversos (33,2 %, peso
seco).
3.4.
Análisis del aroma del café tostado: R&G-TC, G&R-TC y R-CC
Se incluyeron en el estudio tres muestras de
café tostado diferentes: el G&R-TC y el R-CC se tostaron en el nuevo
tostador Nanoroaster, y los granos verdes se tostaron tradicionalmente
en un tostador de muestras (R&G-TC). Aunque el Nanoroaster fue diseñado
exclusivamente para mitigar los posibles desafíos asociados con el tostado de
café en polvo (consulte la Tabla S3), aún se encontraron algunas dificultades
durante el proceso de tostado del G&R-TC y el R-CC. En primer lugar, se
produjo un tostado no homogéneo de las células de café y las partículas de café
molido, y algunas partículas que se adhirieron a los bordes del tambor tenían
un color tostado más claro en comparación con las partículas tostadas en el
centro del tambor. En segundo lugar, el tostado del G&R-TC dio como
resultado la formación de aglomerados, grumos más grandes, probablemente debido
al mayor contenido de humedad del TC molido en comparación con el CC.
Finalmente, se observó una ligera variación en el color del tostado a pesar de
utilizar el mismo perfil de tostado en el Nanoroaster.
Se detectaron un total de 137 compuestos en
las muestras de café tostado utilizando Headspace-SPME-GC-MS; 132 compuestos se
detectaron en R&G-TC, 133 en G&R-TC y 106 en CC tostado (R-CC). Cinco
compuestos se cuantificaron con precisión en las muestras utilizando un
estándar interno (análisis de dilución de isótopos estables, nivel 1), mientras
que los otros compuestos se normalizaron utilizando sus respectivos estándares
de isótopos (consulte la Tabla S4). 81 compuestos se identificaron con confianza
en el nivel 2 con una coincidencia de RI de ≤±25 en comparación con la
biblioteca de referencia del NIST y 30 compuestos adicionales se identificaron
tentativamente en el nivel 3 con un criterio de RI de ≤±50. Los 21 compuestos
restantes se clasificaron como nivel 4 porque no había registros de RI en la
biblioteca del NIST (consulte la Tabla S4). Los compuestos aromáticos
detectados se asignaron a las siguientes clases químicas: furanos y furfurales
inducidos por el tueste (30 compuestos), pirazinas (12), heterociclos que
contienen N (13), aldehídos y cetonas (33), guayacoles (3), compuestos que
contienen S (10), ácidos y ésteres orgánicos (5), alcoholes (8), ésteres (9),
hidrocarburos (11) y otros (4). La contribución relativa de estas clases al
contenido volátil total difirió entre las tres muestras tostadas, en particular
entre la muestra tostada en granos enteros y la muestra que primero se molió y
luego se tostó en polvo (ver Figura 3).
Figura 3. Cambio de pliegue (FC) de la
concentración total normalizada de compuestos aromáticos en TC tostado y molido
(R&G-TC), TC tostado y molido (G&R-TC) y CC tostado (R-CC). La
normalización se realizó dividiendo el área del pico de los compuestos por la
del isótopo estándar 2,5-dimetil-3-etil-d5-pirazina. Las participaciones
porcentuales (%) de las diferentes clases químicas se representaron en un
gráfico de barras apiladas y las clases químicas se representan con diferentes
colores.
En general, el café R&G-TC contenía los
niveles más altos de la mayoría de los compuestos inducidos por el tueste,
mientras que las intensidades generales en el café G&R-TC y el café R-CC
alcanzaron solo el 40 % de las intensidades del café R&G-TC (consulte la
Figura 3). Por ejemplo, solo se detectaron trazas de los compuestos marcados
con isótopos y otros compuestos aromáticos en el café R-CC (consulte la Tabla
2), lo que es consistente con los hallazgos anteriores. (16) Las intensidades
de aroma más altas en el café R&G-TC indican que la estructura física
tridimensional del grano de café es importante para la generación del sabor, ya
que cada una de las células del endospermo actúa como un microrreactor, donde
el confinamiento y la proximidad de los precursores e intermediarios del aroma
facilitan las reacciones químicas de alta presión que forman los compuestos
aromáticos inducidos por el tueste. (21,23) Además, se supone que los
compuestos de sabor generados quedan atrapados de manera eficiente dentro de los
granos de café tostados o incluso se disuelven en la fracción lipídica de los
granos de café, lo que resulta en una mayor retención durante el tueste y un
aroma más fuerte en la taza. (39) Por el contrario, se espera que la tasa de
formación de sabor de las muestras que se tostaron a partir de partículas de
café pequeñas (G&R-TC y R-CC) sea menor, debido a la falta de acumulación
de presión y fenómenos de estallido de los granos (21,25), así como al hecho de
que es probable que una mayor parte de los compuestos aromáticos generados ya
se hayan evaporado durante el proceso de tostado (véase la Tabla S4). Además,
el nivel comparativamente bajo de actividad de agua en CC liofilizado (aw =
0,22, en comparación con aw = 0,44 en TC) también puede disminuir la formación
de compuestos aromáticos inducidos por el tostado seleccionados.
Tabla 2. Cuantificación de cinco compuestos
mediante la aplicación del método de análisis de dilución de isótopos estables
(SIDA) a las tres muestras de café tostado: TC tostado y molido (R&G-TC),
TC tostado y molido (G&R-TC) y CC tostado (R-CC)a
|
RT
(min) |
compounds/compuestos |
flavor/sabor |
quant ion |
R&G-TC (μg/g) |
G&R-TC (μg/g) |
R-CC (μg/g) |
|
4.75 |
acetaldehyde/acetaldehído |
green-apple,
fresh/manzana verde, fresco |
29 |
60.4 ± 0.5 |
4.4 ± 0.0 |
1.5 ± 0.2 |
|
8.96 |
3-methylbutanal3-metilbutanal |
malty,
chocolate-like/malta, como el chocolate |
44 |
12.7 ± 0.2 |
0.5 ± 0.1 |
0 |
|
20.57 |
acetic
acid/acido acético |
sour,
vinegar/agrio, vinagre |
60 |
5724 ± 156 |
1650 ± 347 |
0 |
|
20.84 |
3-ethyl-2,5-dimethylpyrazine/3-etil-2,5-dimetilpirazina |
earthy,
roasted/terroso, tostado |
136 |
2.5 ± 0.1 |
0.5 ± 0.1 |
0 |
|
27.75 |
guaiacol/guayacol |
smoky,
phenolic/ahumado, fenólico |
124 |
8.8 ± 0.5 |
1.0 ± 0.2 |
0 |
aLa tabla
proporciona información sobre el tiempo de retención (RT), los atributos de
sabor, los iones de cuantificación y las concentraciones (μg/g). Para obtener
una lista ampliada de COV y sus resultados de cuantificación normalizados,
consulte la Tabla S4.
A pesar de las variaciones significativas
mencionadas anteriormente entre las tres muestras de café, el furano y los
furfurales fueron las clases químicas predominantes en todas las muestras
(ver Figura 3). Con un 40,2%, los derivados de furano sin furfurales
constituyeron la mayor parte de los compuestos volátiles en R&G-TC,
mientras que esta proporción disminuyó al 25,8% en G&R-TC y solo al 13% en
R-CC. Los derivados de furfural fueron relativamente bajos en R&G-TC
(14,7%) y G&R-TC (10,1%), pero excepcionalmente altos en R-CC. Ya el 54,3%
de todos los compuestos aromáticos estaban compuestos principalmente de
furfural, pero también 5-hidroximetilfurfural (HMF), 5-formilfurfural y acetato
de 5-formilfurfurilo (ver también Figura 4). Estas altas cantidades de
furfurales también podrían explicar la elución temprana del HMF con un delta RI
notablemente alto (identificación de nivel 4 del HMF, consulte la Tabla S4),
que podría explicarse por una sobrecarga de la columna de GC. Los compuestos de
furfural se forman a través de la degradación del azúcar, por ejemplo, a partir
de la sacarosa después de la hidrolización a monosacáridos, (75) y las altas
concentraciones de glucosa y fructosa presentes en CC son la razón probable de
la alta concentración observada de furfurales en R-CC. Sin embargo, la
formación de alquilfuranos fue comparativamente baja en R-CC, aparte del
2-pentilfurano. Las vías de formación de alquilfuranos involucran en gran
medida la fracción de polisacáridos de los granos de café verde. (52) Por lo
tanto, los niveles más bajos de polisacáridos en R-CC podrían explicar al menos
parcialmente los niveles más bajos de alquilfuranos en R-CC. Aunque actualmente
se desconoce si las células de café cultivadas acumulan hemicelulosa como
precursor, se ha observado una deposición de hemicelulosa correlacionada con la
diferenciación celular en cultivos de callos de otras especies. (76)
Figura 4. Se realizó un análisis de mapa de
calor (head map) sobre datos metabolómicos normalizados y autoescalados de
muestras de café tostado y molido TC (R&G-TC), tostado y molido TC
(G&R-TC) y tostado CC (R-CC). La normalización se realizó utilizando los
estándares marcados isotópicamente (ver Tabla S4). La figura se graficó para 80
compuestos aromáticos volátiles seleccionados en función de su importancia
aromática y precisión de identificación (principalmente nivel 1 y nivel 2). Los
compuestos con concentraciones relativas bajas en las muestras están
representados en azul y los compuestos con concentraciones relativas altas en
rojo.
Heat map: Un
mapa de calor (o mapa de calor) es una técnica de visualización de datos
bidimensional que representa la magnitud de valores individuales dentro de un
conjunto de datos como un color. La variación de color puede ser por tono o intensidad.
Las pirazinas y otros heterociclos que
contienen N (pirrol y piridinas) también son clases de compuestos importantes
en TC, con 16 y 8,2% en R&G-TC y 6,1 y 17% en G&R-TC. En G&R-TC,
los niveles de pirazinas, así como de piridina y carboxilpirroles, incluyendo
2-formilpirrol, 2-acetilpirrol, fueron significativamente más bajos, mientras
que los niveles de alquilpirroles, como pirrol, 1-etilpirrol, 1-butilpirrol,
fueron más altos cuando el café se tostó después de molerlo (ver Figura 4). Sin
embargo, en contraste con TC, estas clases de compuestos estuvieron casi
ausentes en R-CC. Una explicación podría ser la baja cantidad general de
trigonelina y aminoácidos libres que son necesarios para la formación de
heterociclos que contienen N y el hecho de que altas cantidades de azúcares
libres podrían haber inhibido la formación de pirazinas. (23) De manera
similar, los guayacoles y los compuestos que contienen azufre, contribuyentes
cruciales al sabor del café, también fueron notablemente más bajos en el café
R-CC. Los niveles significativamente más bajos de ácido clorogénico y la
ausencia de precursores de aminoácidos que contienen azufre en el café CC sin
tostar podrían ser una explicación de los niveles reducidos presentes en el
café R-CC (ver Tabla 1). Sin embargo, los aminoácidos que contienen azufre
(metionina, cisteína) también fueron muy bajos o no se detectaron en el café TC
(ver Tabla 1).
A pesar de los niveles similares de compuestos
precursores en el café en grano sin tostar y en el café molido, el café tostado
y tostado con granos enteros contenía niveles más bajos de aldehídos y cetonas,
como dicetonas e hidroxicetonas, en comparación con el café tostado y tostado
con granos enteros convencionales. Los aldehídos de Strecker, como el
acetaldehído, el 2-metilbutanal y el 3-metilbutanal, son productos de la
degradación de Strecker (62), mientras que las dicetonas se derivan de las
reacciones de Maillard. Una mayor presencia de intermediarios de dicetona en
las vías de degradación de Strecker y de reacción de Maillard puede conducir a
una mayor producción de aldehídos de Strecker y productos de Maillard (38,40).
Es probable que esta compleja cascada de reacciones sea menos pronunciada en el
café tostado y tostado con granos enteros debido a las diferencias mencionadas
anteriormente en las condiciones físicas durante el tostado. Además, los
aldehídos alifáticos saturados de cadena lineal homólogos superiores (C5 a
C10), los alcanos (C7 a C8) y el 3-hidroxi-2,3-dihidromaltol fueron
relativamente más altos en el R-CC (ver Figuras 4 y 5). Es probable que la
estructura física del CC haya facilitado el contacto entre el oxígeno y los
lípidos, lo que podría haber llevado a una mayor oxidación de lípidos en el
R-CC, lo que resultó en un mayor contenido de aldehídos e hidrocarburos a
partir de la oxidación térmica de los ácidos grasos insaturados. (42) Las
mayores concentraciones de monosacáridos en el CC podrían explicar el nivel
relativamente alto de 3-hidroxi-2,3-dihidromaltol en el R-CC, que se produce
por la caramelización de los azúcares. (15)
Figura 5. Modelo de PCA realizado en datos
de metaboloma normalizados y autoescalados de TC tostado-molido (R&G-TC),
TC tostado y molido (G&R-TC) y CC tostado (R-CC). En el gráfico de
puntuaciones, las muestras se codificaron por colores de la siguiente manera:
R&G-TC en azul, G&R-TC en cian y R-CC en rojo. En el gráfico de cargas,
los nombres cortos de los compuestos aromáticos se codificaron por colores de
acuerdo con sus clases químicas: derivados de furano y furfurales (Fu y Fu-al)
─ marrón; pirazinas (Pyz) ─ rojo; piridinas y pirroles (piridina ─ Py, pirrol ─
Pyr) ─ naranja; aldehídos y cetonas (-al y -ona) ─ verde; ácidos orgánicos y
ésteres (-OOH y -oato) ─ azul real; alcoholes (-ol) ─ cian; guayacoles
(Gu)─azul; compuestos que contienen S (tiofeno─Thi)─amarillo oscuro;
hidrocarburos─gris; otros─gris claro (consulte la Tabla S4 para conocer los
nombres exactos de los compuestos volátiles).
Finalmente, la cantidad total de alcoholes,
ácidos orgánicos y ésteres fue menor en G&R-TC que en R&G-TC y la más
baja en R-CC. Estos compuestos están principalmente presentes en los granos de
café verde y luego se evaporan o degradan durante el proceso de tostado, como
fue el caso en las muestras de G&R-TC y R-CC. Sin embargo, la ausencia de
ácido acético en R-CC fue inesperada, ya que también debería haberse formado a
partir de la fragmentación del azúcar.
Se realizó un análisis de componentes
principales (PCA) para explorar las variaciones entre los compuestos aromáticos
normalizados de R&G-TC, G&R-TC y R-CC. Los gráficos de puntajes y
cargas, que representan PC1 versus PC2, explican de manera acumulativa
aproximadamente el 95% de las variables (PC1 = 68,24%, PC2 = 26,24%). El
R&G-TC tostado convencional en grano entero se destacó con los niveles más
altos de varios compuestos aromáticos cruciales del café, lo que contribuyó a
los valores negativos de PC1. En contraste, el G&R-TC tostado en grano
molido mostró una reducción significativa en los niveles de varios compuestos
clave, que fueron incluso más bajos o completamente ausentes en R-CC. Esto
es una indicación de que el tostado en grano entero (R&G-TC) es un
prerrequisito para una alta intensidad general y para muchas vías de reacción
únicas que producen la mayoría de los compuestos aromáticos clave específicos
del café que no se pueden replicar tostando café verde molido (G&R-TC) o
partículas de café cultivadas en células (R-CC). Además de la falta de
intensidad en PC1, G&R-TC y R-CC variaron significativamente en PC2. Las
muestras de R-CC se agruparon en la esquina superior derecha de las
puntuaciones, conteniendo niveles relativamente altos de furfurales, algunos
aldehídos e hidrocarburos, mientras que las muestras de G&R-TC se
caracterizaron por altos niveles de alquilpirroles, algunos alcoholes, ésteres
y derivados de oxazol. Como ya se ha comentado, estas variaciones en la
composición podrían atribuirse a diferencias en la composición del precursor de
CC y TC sin tostar.
3.5.
Expansión de tamaño durante el tostado
Como polvo sin tostar, el CC tuvo una densidad
aparente cuatro veces menor que el TC. Durante el tostado a un grado de tostado
ligero, el R-CC exhibió un aumento de volumen del 70%, en relación con el CC,
mientras que el aumento de volumen del TC durante el tostado fue solo de
alrededor del 30%. El gráfico superior de la Figura 6 muestra las
distribuciones de tamaño de partícula (PSD) tanto para el TC molido antes (TC)
como después del tostado (G&R-TC), mientras que el gráfico inferior muestra
la PSD para el café cultivado en células sin tostar y tostado (CC y R-CC). La
expansión de tamaño esperada durante el tostado fue evidente tanto en las
muestras G&R-TC como en las R-CC, y la proporción acumulada (Q3) para el TC
sin tostar y el CC se mantuvo consistentemente más baja que las muestras
tostadas, sin embargo, la proporción de partículas finas fue menor. Los valores
Q3, que incluyen el 90% de todas las partículas, fueron comparables tanto en TC
(237,8 μm) como en CC (246,7 μm). Después del tostado, estos valores aumentaron
a 538,1 μm en G&R-TC y a 453,5 μm en R-CC, lo que indica que había
partículas más grandes en G&R-TC después del tostado. Estas partículas
gruesas podrían atribuirse a una aglomeración de partículas finas en partículas
más gruesas en el caso de TC, mientras que R-CC se volvió notablemente
esponjoso después del tostado y tuvo una densidad menor que G&R-TC.
Figura 6. Resultados de PSD que presentan
las proporciones incrementales (p3) y acumulativas (Q3) de los polvos TC y CC,
antes y después del proceso de tostado. El gráfico superior muestra la PSD para
el café molido TC antes del tostado y la PSD para el café celular G&R
después del tostado. El gráfico inferior muestra la PSD del café celular
tostado y sin tostar (CC y R-CC). El TC se molió para producir un café verde
molido con una PSD lo más cercana posible a la PSD del café celular CC.
PSD: distribuciones
de tamaño de partícula
3.6.
Extracción de CC
Las diferencias en las propiedades físicas
indican que el CC no se puede utilizar como un reemplazo uno a uno en las
máquinas de extracción de café tradicionales, como las máquinas de espresso (p.
ej., “plug & play”). La extracción de CC requiere adaptaciones
significativas en comparación con los equipos y protocolos de extracción
actuales, y es importante destacar que las propiedades materiales de ambos
tipos de café en polvo fueron significativamente diferentes en términos de sus
estructuras 3-D y densidades. El R-CC se extrajo con la técnica AeroPress
utilizando aproximadamente 1,3 g de café tostado. El rendimiento de extracción
(EY, %) para el R-CC resultó en 7,8% de EY, y los sólidos disueltos totales
(TDS, %) en la taza fueron 0,88% de TDS. El EY fue bastante bajo en comparación
con el 18-20% generalmente recomendado, lo que puede deberse a la dosis
bastante baja de café tostado y molido (1,3 g) que resultó en baja resistencia
y alta permeabilidad del lecho de café. En consecuencia, el agua caliente fluía
más rápidamente a través del lecho de café, lo que daba como resultado un café
subextraído.
Considerando las pequeñas cantidades de
extracto obtenidas, en este estudio solo se obtuvo información sensorial
informal. Los hallazgos se presentan en la Información complementaria.
https://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsfoodscitech.4c00238/suppl_file/fs4c00238_si_001.pdf
Se requieren más investigaciones para mejorar
el proceso de extracción del café R-CC, como resultado de su densidad
significativamente menor en comparación con el café G&R-TC. Algunos ensayos
limitados revelaron que el equilibrio final del aroma varía en el café E-CC, en
función de la proporción de agua y café molido (es decir, la proporción de
preparación), así como de las variaciones en los perfiles de tueste.
En resumen, se estableció una metodología
integral para evaluar las similitudes y diferencias entre una fuente de café
alternativa y el café tradicional. El objetivo aquí es comprender y documentar
los ajustes y las brechas en las composiciones químicas de los compuestos
relevantes para el aroma de las muestras verdes y tostadas, así como la
experiencia sensorial en la taza.
El CC investigado exhibió una composición
química distintiva con la mitad del peso seco siendo glucosa y fructosa. Esto
dio como resultado una alta proporción de productos de degradación de azúcar,
como furfurales, en el café tostado, y un aroma a malta y caramelo en la taza. Un grupo bajo y distintivo de aminoácidos libres en CC se reflejó en
el bajo contenido de heterociclos que contienen N y una baja contribución al
sabor típico del café. La menor concentración de ácidos orgánicos y la ausencia
de ácido cítrico, málico y acético en CC, contribuyeron a una baja acidez
perceptible en R-CC. Además, el contenido significativamente menor de ácidos
clorogénicos, cafeína y trigonelina en CC se reflejó en la reducción del
amargor y los efectos psicoactivos en comparación con TC, lo que se confirmó en
la taza. Además, CC exhibió una composición lipídica distintiva, incluidos
niveles más altos de esteroles, ceramidas, MGDG, pero sin embargo un contenido
lipídico general bajo.
También se demostró que, además de los
precursores químicos, la estructura física del grano de café verde también es
importante para la formación y retención del sabor, ya que el grano intacto
actúa como un recipiente de reacción presurizado para producir intensidades de
aroma mucho más altas en R&G-TC, que posteriormente se retienen en los
poros de los granos de café tostados. Por el
contrario, G&R-TC y R-CC contenían niveles más bajos de furanos, derivados
del alcohol furfurílico, furfurales, pirazinas, carboxilpirroles, aldehídos de
Strecker, cetonas, ácidos orgánicos, alcoholes aromáticos, guayacoles y la
mayoría de los compuestos que contienen S.
Se necesitan más investigaciones para ampliar
y refinar el análisis de similitudes y diferencias. En primer lugar, es
necesario investigar la adaptabilidad de otros materiales celulares de partida,
por ejemplo, los granos de café, y los procesos de cultivo celular para
estudiar los efectos de una composición química diferente en el tostado y las
propiedades sensoriales. En segundo lugar, es necesario explorar más a fondo el
tostado de los polvos de café y adaptarlo para optimizar las propiedades
sensoriales de la taza. Por último, es necesario mejorar los parámetros físicos
críticos, como la densidad, la porosidad y la absorción de agua durante la
extracción, para evaluar las posibles limitaciones de la implementación de CC
con los equipos de tostado y extracción existentes (“plug and play”).
El análisis de tres pasos permite mapear y
comparar los desarrollos actuales de formatos alternativos de café, como cafés
cultivados con células o sustitutos del café. Luego se pueden desarrollar
estrategias para cerrar la brecha en relación con el objetivo o para modular el
perfil sensorial en una dirección deseada. Además, este análisis también se
puede ampliar para comparar diferentes especies, cultivares o terroirs.
Información
complementaria
La información complementaria está disponible
de forma gratuita en https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsfoodscitech.4c00238.
Detalles adicionales sobre experimentos,
materiales, métodos y análisis de datos, incluidas figuras y tablas
complementarias (PDF)
INFORMACION COMPLEMENTARIA
Plataforma analítica para determinar
similitudes y diferencias entre café cultivado en células y café cultivado en
granjas
Jaloliddin Khushvakova , Sebastian Opitza ,
Nadja Plüssa , Jasmin Suna , Linda Josefine Mantheya , Heiko Rischerb , Chahan Yeretziana a
Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich,
Instituto de Química y Química Biológica, Centro de Excelencia del Café,
Einsiedlerstrasse 31, 8820 Wädenswil, Suiza. b VTT Technical Research Centre of
Finland Ltd, P.O. Box 1000, FI-02044, Finlandia
INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA
Información sensorial del extracto de café
cultivado en células (E-CC) El E-CC se caracterizó por tener un fuerte aroma
a cereal y malta, acompañado de sutiles notas caramelizadas y tostadas. El
sabor estaba dominado por sabores a cereal y caramelo oscuro y tenía un
carácter más salado y ligeramente acre. La acidez y el dulzor fueron muy bajos,
mientras que el amargor y el cuerpo fueron moderadamente bajos. La
presencia de sabor a caramelo en el café celular se puede atribuir a altos
niveles de derivados de furfural, mientras que el amargor y la acidez reducidos
fueron causados por los bajos niveles de cafeína y ácidos
clorogénicos y orgánicos. En consecuencia, el
impacto negativo del amargor que surge de la degradación del ácido clorogénico
durante el tostado puede suprimirse significativamente en el CC. La falta de
complejidad en el CC se puede atribuir a la ausencia o menores tasas de formación de compuestos clave del
aroma del café,
como pirazinas, alquilfuranos, guaiacoles, compuestos que contienen S y
dicetonas.
Figura S1: (A) Conjunto del nanotostador,
(B) Tambor del nanotostador y características que permiten una variación
sistemática de los parámetros del tueste: (1) el sensor 1 mide la temperatura
interna del tambor, (2) el sensor 2 mide la temperatura de la superficie del
tambor, (3) el sensor 3 mide la temperatura en la estructura de sujeción del
calentador de inducción, (4) sensor de temperatura IR, (5) calentador de
inducción, (6) orificios en el tambor para facilitar el flujo de aire durante
el tueste, (7) motor para girar el tambor, (8) motor de vibración de 5 V CC.
Figura S2: Se realizó un análisis de mapa
de calor sobre datos lipidómicos autoescalados de muestras de TC y CC sin
tostar. El gráfico presenta 80 compuestos lipídicos identificados supuestamente
en función de su valor p significativo de la prueba t/ANOVA. Los compuestos con
concentraciones relativas más bajas se representan en azul y los compuestos con
concentraciones relativas más altas en rojo.
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Autores
correspondientes
Jaloliddin Khushvakov - Instituto de Química y Química Biológica, Centro de Excelencia del
Café, Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich, Einsiedlerstrasse 31, 8820
Wädenswil, Suiza; Correo electrónico: khus@zhaw.ch
Heiko Rischer - VTT Technical Research Centre of Finland
Ltd, Tietotie 2, P.O. Box 1000, 02044 VTT, Espoo, Finlandia;
Orcidhttps://orcid.org/0000-0002-8004-4526; Correo electrónico: heiko.rischer@vtt.fi
Chahan Yeretzian -
Instituto de Química y Química Biológica, Centro de Excelencia del Café,
Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich, Einsiedlerstrasse 31, 8820
Wädenswil, Suiza; Orcidhttps://orcid.org/0000-0002-4928-728X; Correo
electrónico: yere@zhaw.ch
Autores
Sebastian E. W. Opitz - Instituto de Química y Química Biológica, Centro de Excelencia del
Café, Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich, Einsiedlerstrasse 31, 8820
Wädenswil, Suiza
Nadja Plüss -
Instituto de Química y Química Biológica, Centro de Excelencia del Café,
Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich, Einsiedlerstrasse 31, 8820
Wädenswil, Suiza
Jasmin Sun -
Instituto de Química y Química Biológica, Centro de Excelencia del Café,
Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich, Einsiedlerstrasse 31, 8820
Wädenswil, Suiza
Linda Josefine Manthey - Instituto de Química y Química Biológica, Centro de Excelencia del
Café, Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich, Einsiedlerstrasse 31, 8820
Wädenswil, Suiza
Contribuciones
de los autores
Chahan Yeretzian:
Experiencia en café, metodología y análisis, redacción, revisión y edición;
Khushvakov
Jaloliddin: Líder analítico, Química de Maillard, redacción, revisión y
edición;
Heiko Rischer:
Tecnología de cultivo celular, redacción, revisión y edición;
Sebastian Opitz:
Experiencia en café, desarrollo de métodos, Química de Maillard, redacción,
revisión y edición;
Nadia
Plüss, Jasmin Sun y Linda Manthey: Experiencia analítica.
Notas
Los autores declaran no tener ningún interés
financiero en competencia.
Agradecimientos
Nos gustaría agradecer a Tree SAS por su apoyo
financiero y a CEKAtec AG por su apoyo en el diseño y la construcción del
“Nanoroaster” hecho a medida. También agradecemos al Dr. Samo Smrke y al Dr.
Marco Wellinger por su apoyo en el desarrollo de los protocolos de tostado,
extracción y degustación para café cultivado con células. A Tuuli Kammiovirta y
Jaana Rikkinen se les agradece su hábil asistencia técnica con los cultivos de
células de café.
Abreviaturas
|
TC |
traditional coffee |
café tradicional |
|
G&R-TC |
ground and roast traditional
coffee |
café tradicional molido y tostado |
|
R&G-TC |
roast and ground traditional
coffee |
café tradicional tostado y molido |
|
R-CC |
roasted cell-cultured coffees |
cafés tostados cultivados en
células |
|
E-CC |
extract cell-cultured coffees |
extracto de café cultivado en
células |
|
CC |
cell-cultured coffees |
café cultivado con células |
|
ICO |
International Coffee Organization |
Organización Internacional del
Café |
|
ACN |
Acetonitril |
Acetonitrilo |
|
HPLC |
high-performance liquid
chromatography |
Cromatografía liquida de alto
desempeño |
|
IPA |
Isopropanol |
Isopropanol |
|
MeOH |
Methanol |
Metanol |
|
PSD |
particle size distribution |
distribución de tamaño de
partículas |
|
ISTD |
internal standard |
estándar interno |
|
ELSD |
evaporative light scattering
detector |
detector de dispersión de luz por
evaporación |
|
ESI |
electrospray ionization |
ionización por electrospray |
|
FA |
formic acid |
acido fórmico |
|
Q-ToF |
quadrupole time-of-flight |
tiempo de vuelo cuadrupolo |
|
NIST |
National Institute of
Standards and Technology |
Instituto Nacional de Normas y
Tecnología |
|
MGDGs |
Monogalactosyldiacylglycerols |
Monogalactosildiacilgliceroles |
|
PE |
Phosphatidylethanolamine |
Fosfatidiletanolamina |
|
PC |
Phosphatidylcholines |
Fosfatidilcolinas |
|
DAG |
Diacylglycerol |
Diacilglicerol |
|
TAG |
Triacylglycerides |
Triacilglicéridos |
|
Cn-5HT |
βN-alkanoyl-5-hydroxytryptamides
(Cn-5HTs) |
βN-alcanoil-5-hidroxitriptamidas
(Cn-5HTs) |
|
ICP-OES |
inductively coupled plasma
atomic emission spectrometer |
Espectrómetro de emisión atómica
de plasma acoplado inductivamente |
|
DMSO |
dimethyl sulfoxide |
dimetil sulfoxido |
|
SIDA |
stable isotope dilution assay |
ensayo de dilución de isótopos
estables |
|
MPS |
MultiPurpose Sampler |
Muestreador multiusos |
|
PCA |
principal component analysis |
análisis de componente principal |
|
DW |
Dry weight |
peso seco |
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