Café: Desvelando su compleja realidad y percolando su brebaje molecular

Traducción sin animo de lucro con carácter educativo:

Coffee: Lighting Its Complex Ground Truth and Percolating Its Molecular Brew

Paterek, R.; Geoghegan, S.; Creaven, B.S.; Power, A. 

Beverages 2024, 10, 119. https://doi.org/10.3390/beverages10040119

https://www.mdpi.com/2306-5710/10/4/119

Beverages 2024, 10(4), 119; https://doi.org/10.3390/beverages10040119

Resumen:

El café es uno de los productos básicos más comercializados a nivel mundial y su popularidad no deja de crecer. La Organización Internacional del Café (OIC) informó un aumento del 6% en la producción mundial en 2020, alcanzando los 10,5 millones de toneladas. La producción de café es un proceso complejo (desde la siembra hasta la cosecha, el procesamiento, el envasado y el almacenamiento); en consecuencia, la industria enfrenta grandes desafíos en cuanto a la evaluación de su calidad, sabor y los componentes que contribuyen a la caracterización del café, así como a la sostenibilidad de la producción y el comercio mundial. Esto ha impulsado múltiples estudios sobre la naturaleza del aroma y el sabor de las diversas variedades de café en todo el mundo, lo que ha resultado en la identificación de aproximadamente 1000 compuestos volátiles y el desarrollo e implementación de más de 100 léxicos para describir las características sensoriales específicas del café. La naturaleza compleja del café ha requerido el desarrollo y la incorporación de nuevas metodologías analíticas, como las tecnologías de separación multidimensional y la espectroscopia, junto con el análisis multivariante, para calificar las características esenciales de su sabor. Este trabajo busca revisar la investigación sobre el sabor del café, abarcando el proceso de tostado de los granos, los componentes volátiles y no volátiles generados por este proceso y las reacciones químicas responsables de su formación, así como la sostenibilidad del café, la cadena de valor del café y las diversas formas de regulación, en particular el énfasis actual en el comercio justo.

1. Introducción

La popularidad del café como bebida, sumada a la importancia de sus materias primas en el comercio internacional, requiere un método integral y sólido para evaluar sus atributos característicos. De hecho, la calidad es un aspecto fundamental de la industria cafetera moderna, en su afán por ofrecer al consumidor un producto de alta calidad a un precio asequible. La creciente demanda de café, así como los efectos ambientales actuales en el cultivo, están dando lugar a una afluencia de adulteración, que consiste en utilizar granos alternativos más económicos para aumentar la masa del producto y añadir valor. Además, el aumento de la demanda de café de especialidad está incrementando la presión sobre las pruebas, lo que puede conducir a procesos acelerados y a una menor vigilancia. Según el Ministerio de Asuntos Exteriores de la Unión Europea, la creciente popularidad del café ha dado lugar a requisitos ambientales, sociales y económicos obligatorios asociados a su producción y distribución [1]. La racionalización de los procedimientos de prueba permitiría realizar pruebas de lotes con mayor frecuencia, lo que aumentaría el valor económico y brindaría al consumidor una mayor confianza en el producto. La revisión bibliográfica realizada para este artículo se centró en las prácticas habituales actuales en el análisis del café y los procedimientos de tueste. Las bases de datos en línea utilizadas para esta revisión incluyeron Sciencedirect, Google Scholar y los Servicios Bibliotecarios de la Universidad Tecnológica de Dublín. El período de interés principal para esta revisión fue el período 2015-2024, con la excepción de artículos fundamentales más antiguos citados para proporcionar antecedentes relevantes sobre la producción y el análisis del café. La selección de publicaciones para la revisión consideró el alcance del análisis realizado, los volátiles producidos por el café, la relación de estos compuestos volátiles con las notas de sabor y los efectos del tratamiento del café en la presencia de estos volátiles. No se tuvieron en cuenta para esta revisión las publicaciones relacionadas con los efectos del café en la salud o fisiológicos. Las palabras clave utilizadas en las búsquedas en bases de datos en línea incluyeron, entre otras: café: -tostado, -producción, -análisis, -control de calidad, -monitoreo, -volátiles (análisis), -análisis térmico del grano, cromatografía de gases del café, cromatografía líquida del café y espectroscopia de café (volátiles).

2. Historia y origen

Se han extendido múltiples leyendas sobre el café y su descubrimiento. La más antigua es su introducción divina a través del profeta Mahoma, mientras que la más conocida es el descubrimiento de la planta del café por Kaldi [2,3] y sus cabras en las colinas que rodean un monasterio a orillas del Mar Rojo. La primera mención documentada del café data de alrededor del año 900 d. C., obra de Razes, un médico árabe del siglo X, quien lo describió como «caliente, seco y muy beneficioso para el estómago»; sin embargo, se estima que su cultivo comenzó en el año 575 d. C.

Esta bebida es un producto de las semillas tostadas de Coffea Rubiaceae, un género leñoso tropical perteneciente a la familia de las Rubiáceas [4,5]. Antoine de Jussieu fue el primero en proporcionar una descripción botánica del cafeto en 1737 [4], inicialmente como Jasminum arabicanum y posteriormente como Coffea arabica, dentro del género Coffea. La difusión mundial de las plantas de café desde Etiopía dio lugar al desarrollo de múltiples cultivares novedosos mediante la hibridación de variedades seleccionadas para producir plantas de mayor robustez, productividad, resistencia a enfermedades y calidades superiores. Además, con el descubrimiento de nuevas variedades silvestres, existen más de cien especies catalogadas dentro del género Coffea [5,6,7,8], de las cuales el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) de Estados Unidos ha informado que solo veinticinco han sido estudiadas exhaustivamente [7,9].

De las diversas especies del género Coffea, dos variedades son de importancia económica y comercial: Coffea arabica (café arábico) y Coffea canephora (café robusta) [10,11]. Estas difieren desde una perspectiva botánica (Tabla 1) y en cuanto a sus atributos distintivos (Tabla 2).

Reino	Vegetal
Subreino	Angiospermae
Clase	Dicotyledoneae
Subclase	Sympetalae o Metachlamydeae
Orden	Rubiales
Familia	Rubiaceae
Genero	Coffea
Subgenero	Eucoffea

Tabla 1. Clasificación botánica del café [4,9,12,13].

Dentro de la industria, los granos de Arábica son más valorados debido a su sabor más fino, que la mayoría de los consumidores prefieren al Robusta. Actualmente, la mayoría de las bebidas de café disponibles comercialmente se producen a partir de granos tostados de Arábica, Robusta o mezclas de ambas variedades. Una tercera especie comercial, Coffea liberica, también se produce comercialmente, aunque a una escala mucho menor. Geográficamente, el café se cultiva principalmente entre 22 y 26° N, y la germinación de las semillas de café demora entre 1 y 2 meses [14]. Las plantas de café tardan aproximadamente 3 años en comenzar a producir frutos [15]. Los cafetos cultivados tienen una vida útil de alrededor de 30 años [16]. Ciertas especies son más propensas a la "roya", que se refiere a una condición en la que el hongo Hemileia vastatrix ataca las hojas de los árboles, provocando que se vuelvan amarillas y mueran, lo que puede conducir al declive y finalmente a la muerte del árbol [17]. La planta florece hasta por dos semanas, seguidas del desarrollo de las cerezas de café. Las cerezas de Arábica tardan entre 6 y 9 meses en madurar, mientras que las de Robusta requieren de 9 a 11 meses [14]. Al madurar y estar listas para la cosecha, las bayas cambian de verde a amarillo (Coffea arabica nana) o a un rojo intenso. Una vez maduras, existen tres métodos principales de preparación del grano, que dan como resultado diversos perfiles de sabor: seco, semiseco y húmedo. Estos métodos se refieren al grado en que se elimina la pulpa de la baya del grano de café restante antes de la etapa de secado del proceso [18]. Los cafés secos suelen asociarse con un sabor más dulce y con cuerpo, mientras que, por otro lado, el proceso húmedo produce un sabor más ácido y amargo [19].

Los consumidores prefieren Coffea arabica (Arábica) sobre Coffea canephora (Robusta) debido a la diferencia de sabor, que es consecuencia de la variación en los componentes como la cantidad de azúcares y ácidos presentes en cada variedad (las variedades Arábica contienen casi el doble de sacarosa que Robusta) y la concentración de lípidos [20]. Los lípidos como los triglicéridos, los ácidos grasos libres y los diterpenos esterificados constituyen alrededor del 7-17% del peso seco de los granos de café, dependiendo de la variedad [21]. La presencia de azúcares y lípidos en el café contribuye al desarrollo de un sabor dulce y suave durante el proceso de tueste, mientras que los ácidos equilibran el sabor y contribuyen al amargor característico del café. Los perfiles sensoriales de los diferentes cafés son el producto de contrastes entre variedades, condiciones de crecimiento (p. ej., altitud, lluvia y luz solar), variables de procesamiento (p. ej., fermentación, secado y tueste), y condiciones de empaque, almacenamiento y preparación.

El enorme aumento de la popularidad del café en los últimos años ha impulsado el auge del "café de especialidad". Este término se utiliza para destacar la calidad y el origen de un producto. Estos cafés suelen alcanzar precios de mercado más altos debido a la superioridad percibida de sus granos. Anteriormente, el café debía ser, como mínimo, agradable al paladar. Sin embargo, con el auge del café de especialidad, la calidad y la consistencia se han convertido en prioridades [22,23,24,25,26]. La Asociación de Cafés de Especialidad (SCA) ha desarrollado un sistema de puntuación denominado Evaluación del Valor del Café (CVA) para clasificar los atributos del café. Este sistema consiste en clasificar el café utilizando factores como el aroma, la fragancia, el regusto, la acidez y la uniformidad en taza, entre otros, para generar una puntuación de un total de 100 puntos. Los cafés con una puntuación superior a 80 en la CVA se consideran cafés de especialidad. Estos granos de café se producen normalmente en lotes más pequeños y tienen notas de cata únicas. Los granos de arábica son los más utilizados, ya que son conocidos por su versatilidad y sabor, que se dice se ve fácilmente influenciado por el proceso de cosecha y tostado [27,28,29,30]. Es importante establecer mecanismos que permitan la garantía y la evaluación, seguidas de la certificación de los productos, para mantener la competitividad comercial y del mercado.

3. El proceso de tostado del café

Se han realizado investigaciones para correlacionar la clase de café con las características fisicoquímicas y la composición química de los granos verdes o tostados; es importante diferenciar entre la materia prima (café verde) y el producto final (café tostado) [31,32,33,34].

Especie	Variedad	Origen	Caracteristicas
			Habito de crecimiento	Resistencia a la roya	Calidad organoleptica
Coffea arabica	Typica	Yemen	Vertical,	muy pobre	Excelente
			vigorosa
Coffea arabica	Java	Indonesia	Upright,	Very poor	Excelente
			vigorous
Coffea arabica	Bourbon	Brasil	Follaje denso y semienano	Muy pobre	Razonable (fair)
Coffea canephora	kouilouensis o conillon	Brasil	Alta	Resistencia a la roya	Baja calidad
Híbrido natural de Coffea arabica y Coffea liberica	S795	India	Alto, erguido y abierto	Susceptible, más tolerante con una selección cuidadosa	Excelente
Cruce entre variedades caturra y mundo novo	Catuai	Brasil	Follaje denso y semienano	Muy pobre	Bueno; buen tamaño del

Tabla 2. Principales características de las variedades de café de relevancia comercial [4,31,35,36].

Chambers desarrolló un léxico sensorial para el café preparado utilizando más de cien muestras de café diferentes de catorce países de todo el mundo [35]. La complejidad del aroma del café se relacionó con su diversa composición química, que comprende más de mil compuestos volátiles [35,37].

Los esfuerzos previos para identificar los factores que contribuyen a descriptores de aroma específicos, las descripciones químicas de las variaciones del aroma del café en diferentes condiciones y los intentos de recrear artificialmente los sabores auténticos del café se han topado con importantes obstáculos debido a las limitaciones de la tecnología analítica [38,39,40,41]. El uso de métodos como la cromatografía de gases (GC) requiere equipos sofisticados, una mejor preparación de las muestras y enfoques novedosos para el análisis de datos, lo que limita el análisis en campo/in situ/durante el proceso [42,43]. Los desafíos en los enfoques para el análisis de los volátiles del café se aprecian al considerar la compleja cadena de suministro y el proceso agrícola, como se ilustra en la Figura 1.

Figura 1. Eventos clave durante el proceso de producción del café [44].

El proceso de producción de café requiere una serie de pasos complejos, como se muestra en la Figura 1. Una vez cosechado y procesado el café, se puede tostar para el consumo general. El tueste consiste en calentar los granos de café verde en un tambor giratorio, lo que garantiza que se tuesten a la misma velocidad hasta alcanzar el nivel de tueste deseado. Los granos se calientan en una tostadora hasta que alcanzan una temperatura de entre 188 °C y 282 °C. La velocidad a la que alcanzan esta temperatura se conoce como tasa de incremento (Rate of Rise: RoR) y afecta al tueste general [45]. El tiempo de tueste puede durar hasta veinte minutos [46,47,48,49]. A medida que los granos se calientan, su color cambia lentamente de verde a amarillo, antes de evolucionar a diferentes tonos de marrón según la intensidad del tueste. Emiten un olor a hierba al comenzar a tostarse, y su aroma evoluciona lentamente hacia el aroma profundo característico del café. Los granos también “crujen o crepitan” durante el proceso [50,51,52]. Este fenómeno es un sonido de crujido audible que resulta de la pérdida de humedad de los granos individuales debido al aumento de la temperatura.

La crepitación es un paso distintivo y vital en el proceso de tueste. A medida que los granos de café se tuestan, pueden experimentar más de una etapa de crepitación, según la intensidad del tueste alcanzado [48,49,53,54]. Los tuestes claros normalmente solo pasan por una etapa de crepitación. Sin embargo, los granos verdes destinados a tuestes oscuros se calientan más allá de la segunda etapa de crepitación. Cuanto más oscuro sea el tueste, más intenso será el color de los granos. La caramelización de los granos también ocurre pasada cierta temperatura, y cuanto más oscuro sea el tueste, más aceites se liberan. Una vez finalizado el proceso de calentamiento, los granos se enfrían rápidamente, un proceso también conocido como “quenching”, para inhibir un mayor tostado por el calor residual [3,28,46,48,50,53,55]. El nivel de tueste juega un papel crucial en el sabor del café. Se dice que los tuestes más claros son más ácidos, con notas afrutadas y florales, mientras que los más oscuros son más amargos y ahumados, con notas de caramelo y chocolate. Las temperaturas exactas de los procesos de tueste son específicas de cada empresa y tostador, con el objetivo de conferir sabores únicos a sus granos, destacándolos en el mercado.

La transformación del grano de café durante el tostado se puede atribuir a un proceso químico conocido como reacción de Maillard [56,57,58,59], que imparte ricos sabores a caramelo, azúcar quemado y almendras a los granos [60] (Figura 2). Esto ocurre cuando los aminoácidos y los azúcares reductores se exponen al calor, y es conocido por dorar los alimentos e intensificar los sabores. Ejemplos comunes incluyen la formación de costras en productos horneados, la caramelización del azúcar para la producción de confitería y el tostado de granos de café.

Cuando comienza el proceso de tostado de los granos de café, los azúcares reductores reaccionan con los aminoácidos, formando compuestos intermedios de Amadori [58]. A medida que la reacción continúa progresando y se aplica calor adicional, los intermedios de Amadori se descomponen y liberan agua y dióxido de carbono [59]. Esto, como se mencionó anteriormente, se conoce como "cracking o crepitación" y hace que el grano se expanda [50,51,52,59]. La progresión de la reacción causa la liberación de volátiles como compuestos que contienen pirazina, aldehído, cetona y furano, que contribuyen al sabor distintivo del café [61]. Los niveles de varios volátiles liberados dependen del tipo de tostado, las temperaturas alcanzadas, la duración del tostado y la variedad del grano, así como la preparación del grano antes del tostado [46]. Durante la reacción, se producen melanoidinas, que están vinculadas al pardeamiento de los granos de café [58]. Debido al calor aplicado, los azúcares de los granos también sufren una caramelización, lo que contribuye al perfil de sabor del producto terminado.

La contribución y la interacción de las múltiples reacciones, así como su impacto en el aroma final del café, son clave para el valor añadido de nuestra investigación. Pau et al. identificaron tres obstáculos principales para el análisis del café debido a la complejidad de su matriz [44], a saber:

1.     La compleja matriz de fondo del café;

2.     La naturaleza multiclase e isomérica de su fracción volátil; y

3.     Su amplio rango dinámico de compuestos, que abarca importantes compuestos aromáticos traza.

Figura 2. Reacción de Maillard simplificada de formación de producción [62].

4. Preparación del café

El tipo y la calidad del proceso de tueste influyen significativamente en el resultado. Existen innumerables métodos de preparación de café, que suelen ser específicos de cada región y cultura. Entre ellos se incluyen el espresso tradicional, el café de filtro, la cafetera moka y la prensa francesa. Métodos más recientes como AeroPress® y Chemex® también han ganado popularidad. Cada método produce un perfil de sabor diferente. Estos métodos también suelen requerir diferentes tamaños de molienda, lo que significa que algunos son más sensibles a las notas de sabor menos visibles [29,63,64,65,66].

El espresso se extrae haciendo pasar agua caliente a una presión relativamente baja, normalmente de 9 a 10 bares, a través de granos de café finamente molidos [64]. Esto da como resultado un café fuerte, oscuro y concentrado. Puede consumirse como bebida corta sin aditivos, pero actualmente se utiliza más ampliamente como base de bebidas como lattes y capuchinos. El espresso y sus variantes con leche son originarios de Italia, pero han ganado popularidad mundial gracias a franquicias de renombre internacional como Starbucks® y Costa Coffee™.

La cafetera moka de cocina funciona con un principio similar basado en la presión. Al aplicar el calor de la cocina a la cámara inferior de agua de la cafetera moka, la presión aumenta y finalmente impulsa el agua hacia arriba a través del disco de café en la cámara central, recogiendo la bebida resultante, similar a un espresso, en la parte superior [67].

El café de filtro o de goteo se prepara vertiendo gradualmente agua caliente sobre los granos de café molidos en un filtro de papel. El agua gotea lentamente a través de los granos hasta una cafetera o taza ubicada debajo [68]. Esta técnica produce un sabor suave, generalmente un mayor volumen de café y un color más claro. Las cafeteras de goteo automáticas son muy populares en Estados Unidos, mientras que en Europa se han adoptado ampliamente métodos manuales como las cafeteras de vertido Chemex® y V60. La Chemex® es una jarra de vidrio con forma de reloj de arena, donde se aplica un filtro de café en la parte superior, se coloca el café molido en el filtro y se vierte lentamente agua caliente sobre la superficie a mano [27].

La prensa francesa utiliza la técnica de émbolo. El café se prepara añadiendo granos molidos a la porción de vidrio y sumergiéndolos en el volumen correspondiente de agua caliente. Tras varios minutos, se utiliza un émbolo para presionar la mezcla agua/café  y finalizar el proceso de preparación, permitiendo que el café resultante se vierta sin que los residuos se transfieran a la taza. El café preparado con una prensa francesa tiene el potencial de ser más intenso que con otros métodos, ya que la intensidad se puede aumentar fácilmente prolongando el tiempo antes de sumergirlo [64].

El recientemente popularizado sistema AeroPress® funciona con varios principios y comparte algunas similitudes con la prensa francesa, el café de filtro y los métodos tradicionales de preparación de espresso. Primero, se añaden el café y el agua caliente al AeroPress® y se deja reposar durante un tiempo determinado, similar a una prensa francesa. A continuación, el café preparado se separa de los residuos forzando el agua a pasar a través de un filtro de papel (similar a los filtros utilizados en los métodos de café de filtro, pero mucho más pequeño) [64]. Este paso del agua a través del filtro se logra presionando manualmente el AeroPress® como si fuera una jeringa grande, una etapa del proceso que recuerda a la preparación a presión del espresso tradicional y la cafetera moka.

5. Impacto económico

El café se produce comercialmente en más de 50 países y el mundo consume más de 3 mil millones de tazas al día [69]. Se estima que los ingresos anuales del sector cafetero superan los 200 mil millones de dólares. El mercado mundial del café ascendió a 472,5 mil millones de dólares en 2022, con un crecimiento previsto entre 2022 y 2025 de una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 5,28% y unas exportaciones mundiales totales de 13,16 millones de sacos [70]. La Organización Internacional del Café (OIC) advierte sobre cambios en el mercado debido a una posible recesión económica mundial, el aumento de los costos de producción y la reducción del consumo y las importaciones debido al conflicto entre Rusia y Ucrania [71,72,73]. Sin embargo, una encuesta realizada por Lanfranchi, Giannetto y Dimitrova en 2016 mostró que el consumo de café no se había visto afectado por las recientes recesiones económicas [74]. Brasil es el país líder en la producción de café, con una producción de más de 4 millones de kilogramos en 2020, lo que representó 14.300 millones de reales de los ingresos del país ese mismo año [75,76,77,78,79,80], y ha sido el mayor exportador de café desde 1995 [81]. Estados Unidos lidera actualmente la clasificación en términos de importación y consumo interno de café [55], y la mayoría de las naciones del mundo tienen altas tasas de consumo de café y un método de preparación preferido [82].

6. Adulteración, Fraude y Seguridad del Consumidor

Como se mencionó en la sección anterior, el café goza de una gran popularidad y su alcance está en aumento. Como cualquier producto muy popular, el café es propenso a la adulteración [83]. Si bien las personas capacitadas pueden distinguir fácilmente las diferencias fisiológicas (tamaño y color) entre los granos crudos de arábica y robusta, los pasos de procesamiento requeridos en la producción estándar de café, incluyendo el tostado y la molienda, eliminan estos indicadores visuales. Además, esto podría resultar en un etiquetado fraudulento o incorrecto accidental, un motivo de preocupación para los procesadores de alimentos y las autoridades reguladoras, lo que ha impulsado la necesidad de métodos alternativos para la identificación de cafés tostados molidos [84,85,86,87]. Es vital monitorear la consistencia del producto a lo largo de la cadena de suministro. Los componentes químicos de los granos tostados determinan las características del café como bebida. Los granos de café crudo contienen una amplia gama de compuestos químicos diferentes, que reaccionan e interactúan entre sí en todas las etapas del tostado, dando como resultado productos finales muy diversos. Por ejemplo, el contenido de cafeína, que influye significativamente en la calidad final de los productos de café, debe determinarse de forma rápida y fiable mediante técnicas analíticas [88,89,90]. Debido al elevado número de muestras que deben analizarse, la industria del café necesita nuevas técnicas analíticas que proporcionen datos rápidos y fiables que indiquen la calidad del café [88,89,90].

La creciente popularidad y demanda del café plantea la posibilidad de etiquetado fraudulento o incorrecto accidental, un tema de preocupación para los procesadores de alimentos y las autoridades reguladoras [85,91,92]. Por lo tanto, es importante que las variedades de granos crudos y los diversos productos de café se puedan identificar correctamente. A menudo se utilizan materiales más económicos para aumentar el volumen del producto final. Entre los adulterantes más comunes se incluyen legumbres, granos (cebada, maíz y centeno), ramitas y cáscaras, ya que son económicos y, a simple vista, pueden mimetizarse con la morfología general del grano de café [84,85,86,87]. La adulteración también puede involucrar granos de café de inferior calidad, más económicos y fáciles de cultivar. Esto, si bien no es inherentemente perjudicial para la salud del consumidor, reduce la calidad del producto final, sin que este lo sepa, ya que probablemente esté pagando un precio superior [65,72,79,80,85,93]. Existen regulaciones para limitar y eliminar los productos de café adulterados o fraudulentos de la cadena de suministro. El Consejo Internacional del Café (CCI) ha establecido un estándar documental para la exportación de café, según lo descrito por Toci, Farah, Pezza y Pezza [87]. El café no puede tener un exceso de 89 a 150 defectos por 300 g, dependiendo de la variedad del grano. Brasil, el principal exportador mundial de café, cuenta con leyes estrictas, que establecen un límite del 1 % para el contenido combinado de las impurezas mencionadas [25,94]. Las técnicas basadas en cromatografía, en particular la cromatografía de gases y líquidos, junto con la espectrometría de masas y la espectroscopia infrarroja, se utilizan comúnmente para la detección de adulterantes [87,90,95,96,97]. El análisis y la detección de adulterantes mediante estos métodos implican la identificación de compuestos como glucosa, xilosa, manosa y almidón [87,90,95,96,97]. Fairtrade es otra acreditación que desempeña un papel importante en el cultivo del café. Fairtrade Irlanda define a la organización como una «colaboración entre algunos de los agricultores y trabajadores más desfavorecidos del mundo en desarrollo y las personas que compran sus productos». El sello representa estándares y ética que incluyen salarios justos para los trabajadores, condiciones laborales justas, sostenibilidad ambiental y desarrollo comunitario para las comunidades en las que opera [97,98,99]. La organización, junto con su sello de aprobación, es una señal para los consumidores de que el producto se cultiva con altos estándares.

7. Métodos estándar de análisis

El análisis de los odorantes del café abarca desde los volátiles liberados y desarrollados durante el tueste hasta los extraídos durante la preparación, abarcando diversos factores, como el tueste, el almacenamiento, el método de molienda y el método de preparación [38,39,44,98,100,101]. Estudios sobre los odorantes del café han revelado que algunos de los compuestos más comunes que contribuyen al perfil de sabor del café son las alquilpirazinas, las furanonas, los aldehídos de Strecker, los furanos y los fenoles [102].

7.1. Cromatografía

Los métodos cromatográficos de separación y análisis del café ayudan a los fabricantes a optimizar sus procesos para producir café con perfiles de sabor y aroma específicos. Se trata de una herramienta poderosa que puede ayudar a los analistas a comprender la química del café y a mejorar las características de los productos de café. Desde principios de la década de 1970, se han investigado diversos métodos de análisis del café mediante técnicas cromatográficas, comenzando con la cromatografía en capa fina (TLC) y progresando hacia la cromatografía iónica, la cromatografía líquida de alta presión (HPLC) [103] y la cromatografía de gases (GC), con algunas otras variantes como las muestras de espacio de cabeza y los detectores de espectrometría de masas (MS) [104]. La microextracción en fase sólida-cromatografía de gases (SPME-GC) se utilizó en la década de 1990 para caracterizar el café tostado mediante el análisis de componentes principales (PCA) [105]. La olfatometría por cromatografía de gases con espectrometría de masas también se ha utilizado en el análisis sensorial para investigar el atractivo de ciertos compuestos para los consumidores [39]. Dado que los métodos cromatográficos están bien establecidos y han sido revisados ​​(destacando sus capacidades), se exploran brevemente aquí para establecer una base para las técnicas comunes actualmente en uso [39,44,98,102,104,106,107,108]. Además, los autores animan a los lectores a explorar los trabajos de las personas que citamos.

La cromatografía se utiliza frecuentemente en el análisis de control de calidad de alimentos para la producción de aceites, vinos y licores. Mediante el uso de diferentes técnicas cromatográficas, los fabricantes pueden monitorear la composición química del café durante el procesamiento de la fruta y el tostado de los granos. El café es ampliamente conocido y reconocido por su aroma específico, y estos olores característicos e intensos lo convierten en un buen candidato para el análisis de gases/vapores, con métodos como la cromatografía de gases de espacio de cabeza, que muestrea únicamente estos vapores [104]. La información obtenida mediante el análisis cromatográfico puede ayudar a ajustar los parámetros de tostado para resaltar y realzar perfiles de sabor específicos según la presencia de los compuestos flavonoides correspondientes. Un estudio de Czerny y Grosch, que utilizó métodos de cromatografía de gases, monitoreó algunos odorantes comunes del café, como la 3-isobutil-2-metoxipirazina y la 2-metoxi-3,5-dimetilpirazina, durante el proceso de tostado y observó un aumento de la concentración en los granos tostados, lo que resalta el aroma característico y buscado del café [100]. También se ha realizado un análisis de la composición elemental del café mediante espectrometría de absorción atómica de llama (FAAS) y espectrometría de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente (ICP-OES), entre otras técnicas, para examinar las diferencias entre los granos de café verde y tostado. Este estudio reveló que la composición elemental variaba más según la ubicación geográfica y el tipo de suelo que según el proceso de tostado [109]. Una vez tostado, el grado de molienda del café puede tener un impacto importante en el perfil de sabor de la bebida final, con una disminución comparativa del olor en el café molido más grueso en comparación con uno más fino [110]. Además, si el producto previsto es café instantáneo, los granos se someten a un proceso de extracción que esencialmente extrae todos los componentes "intrínsecos" del café en agua, que luego comúnmente se congela o se evapora para intensificar la concentración [106].

La cromatografía también se utiliza ampliamente en la industria alimentaria para detectar adulteraciones y productos de calidad inferior, como se describe en la Sección 6. Incluso después de moler los granos de café, la cromatografía puede identificar la presencia de adulterantes como la achicoria o la soja [87]. De igual manera, esta aplicación también puede utilizarse para autenticar el tipo y el origen del grano de café. Las zonas geográficas donde tradicionalmente se produce café pueden conferir perfiles únicos de sabor y aroma a la fruta y, posteriormente, al grano. Estas características únicas pueden atribuirse a condiciones ambientales como el clima y las condiciones del suelo [111]. La cromatografía, específicamente las variaciones de la cromatografía de gases, también se utiliza para estudiar el impacto de los diferentes métodos de procesamiento y perfiles de tueste en la composición química del café. Los componentes volátiles del café que se identifican típicamente, incluyen,entre otros, acetatos, ácidos, alcoholes, aldehídos, ésteres, furanos, cetonas, lactonas, monoterpenos, fenoles, pirazina, sulfuros y tioles [107]. La cromatografía de gases es un método robusto para el análisis de granos de café durante toda su producción. Sin embargo, presenta limitaciones, ya que requiere equipo altamente especializado y personal capacitado para realizar el análisis. Además, es costosa y requiere mucho tiempo, lo que la hace a menudo inaccesible para los pequeños productores de café. También presenta limitaciones en cuanto a los tipos de compuestos que puede detectar [44]. Compuestos como proteínas y carbohidratos, que no se pueden volatilizar, no se detectarán, por lo que se combina óptimamente con otras técnicas, como la espectroscopia y la interpretación quimiométrica de datos [112].

7.2. Espectroscopia infrarroja

Las técnicas espectroscópicas presentan varias ventajas sobre otras técnicas analíticas utilizadas en la producción de alimentos, en particular el análisis del café. Una de las principales ventajas es la rapidez del análisis, ya que permite analizar la muestra en cuestión de segundos, lo que la convierte en una técnica rápida para estudios estándar en la producción de café, que puede implementarse en cualquier etapa del proceso sin interferir con la cadena de eventos. Además, es no destructiva, no requiere preparación de la muestra y esta puede ser pequeña, lo cual resulta especialmente útil en casos donde la planta productora es una pequeña operación. Además, es rentable, ya que no requiere productos químicos costosos, técnicas de preparación ni personal para realizar el análisis [68]. Se ha utilizado para el análisis de componentes del café con diversos fines. Barrios-Rodríguez et al. realizaron análisis FTIR junto con quimiometría para estudiar los efectos de los métodos de cosecha en el café [113]. Posteriormente, se empleó quimiometría, basada en discriminación PCA, para identificar el café de mayor puntaje, según la definición de la Asociación de Cafés Especiales (SCA). Se realizaron clasificaciones y categorizaciones según la absorbancia para las siguientes longitudes de onda: 2925, 2850, 1740, 1650, 1602, 1550, 1300, 1252 y 1150 cm⁻¹. La quimiometría y los análisis multivariados se utilizan comúnmente en combinación con técnicas espectroscópicas y permiten calcular la contribución de un compuesto específico al espectro [114].

La composición química del café puede analizarse mediante infrarrojos (IR), basándose en la absorción de la radiación infrarroja por diferentes moléculas dentro de la matriz del café a frecuencias específicas asociadas con los enlaces químicos presentes en dichas moléculas [68]. Algunos de los compuestos representativos que se analizan comúnmente mediante IR incluyen la cafeína, la trigonelina y el ácido clorogénico. Estos compuestos desempeñan un papel importante en la determinación de la calidad y la autenticidad del café.

La cafeína es uno de los términos más comúnmente asociados con el café, ya que es un compuesto vital y característico del café, responsable de sus conocidos efectos estimulantes en el consumidor. Se pueden utilizar técnicas espectroscópicas para determinar el contenido de cafeína en muestras de café, lo cual resulta útil, ya que algunos granos pueden distinguirse según su contenido de cafeína. Por ejemplo, esto puede utilizarse para diferenciar entre granos de café arábica y robusta, cuyo contenido de cafeína varía [115]. La trigonelina y el ácido clorogénico son otros dos compuestos comunes en el café. Se sabe que la trigonelina es responsable del sabor amargo del café; es decir, cuanto mayor sea el contenido de trigonelina en el grano, más amarga será la taza de café resultante. El ácido clorogénico es responsable de las propiedades antioxidantes del café y también puede monitorizarse mediante espectroscopia infrarroja [116]. Una revisión de Munyendo, Njoroge y Hitzmann [117] describe otras técnicas espectroscópicas, como la espectroscopia de infrarrojo medio, infrarrojo cercano, Raman y de fluorescencia, utilizadas para el análisis del café, que, cuando se combinan, producen una amplia variedad de espectros asociados con el café en diferentes estados (es decir, verde, tostado claro, tostado oscuro, etc.) [117].

El uso de la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) para estudiar el proceso de tostado del café puede utilizarse para identificar características, rasgos o atributos específicos de interés. Las diferentes variedades de granos de café, incluso los granos verdes, tendrán composiciones variables, lo que resulta en variaciones en el proceso de tostado. Los granos tostados tienen un contenido de humedad que varía del 1,5 % al 5 % [118]. Durante el tostado, los granos de café cambian de verde a amarillo a medida que se desarrollan sus olores y se intensifican a medida que las temperaturas aumentan hasta 210 °C [108]. Una de estas investigaciones sobre el proceso de tostado y el desarrollo del sabor/olor, realizada por Esteban-Díez, González-Sáiz y Pizarro [32], pudo correlacionar los espectros NIR obtenidos con el color del grano, vinculando la apariencia visual con la composición química asociada con el grado de tostado [32]. Otro estudio de Wójcicki [119] analizó el proceso de tostado del café mediante espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) y concluyó que los granos tostados durante un período más corto presentaron una mayor absorbancia que los tostados durante un período más largo en todos los rangos de longitud de onda examinados. El estudio también encontró una prometedora relación lineal entre el poder de tostado y los espectros resultantes, lo que muestra un potencial prometedor para la espectroscopia combinada con la quimiometría como herramienta de monitoreo [119]. Una revisión de Barbin et al. [120] sobre la aplicación de estas técnicas espectroscópicas al análisis y monitoreo del café predijo una mayor expansión de estas técnicas para facilitar la inspección regulatoria como una técnica efectiva y económica, lo que podría conducir a una disminución de errores y costos laborales [120]. Además, este método de análisis puede adaptarse y utilizarse para monitorear los efectos del cambio climático y otros factores variables en el suministro agrícola de diversos granos, trigo y legumbres, basándose en conjuntos de datos recopilados e interpretaciones estadísticas [121]. Los métodos espectroscópicos son increíblemente robustos, lo que permite un análisis rápido de una variedad de muestras. Sin embargo, no son métodos de identificación. Son una herramienta que permite la comparación y, al emplearse con un banco de datos establecido en el área de interés, permiten ubicar una muestra desconocida dentro de un conjunto de muestras, en relación con los datos preexistentes.

7.3. Análisis Térmico

El análisis térmico puede utilizarse en el control y aseguramiento de la calidad de los productos de café en combinación con otras técnicas. El comportamiento del café, dependiente de la temperatura durante las diferentes etapas de su producción, puede proporcionar información sobre las temperaturas óptimas de tueste y preparación necesarias para obtener un producto consistente y de alta calidad en cada ocasión. El análisis térmico del café es un aspecto importante para comprender su composición química y propiedades físicas. La mayor parte de la producción de alimentos implica un paso de análisis térmico. Dos de las técnicas más utilizadas para el análisis térmico en la producción y aseguramiento de la calidad de alimentos son la calorimetría diferencial de barrido (DSC) y el análisis termogravimétrico (TGA) [122].

La calorimetría diferencial de barrido es una técnica de análisis térmico que mide el flujo de calor en una muestra en función de la temperatura. Esta técnica se utiliza habitualmente para estudiar el comportamiento térmico del café durante las diferentes etapas del tueste. Esta técnica mide la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de la muestra. El termograma resultante muestra cualquier evento que ocurra dentro de la muestra durante los cambios de temperatura, como las reacciones de Maillard, la caramelización y la pirólisis [44]. De igual forma, el análisis termogravimétrico mide el cambio de masa dentro de una muestra en función de la temperatura o el tiempo. Se utiliza a menudo para examinar la pérdida de masa que ocurre durante el tueste, la cual se debe principalmente a la evaporación de agua y otros compuestos volátiles. La curva resultante puede indicar el grado de tueste de los granos y dar una indicación de la cantidad de volátiles perdidos. El TGA también se utiliza para estudiar la degradación del café durante el almacenamiento y el impacto de diferentes condiciones de almacenamiento en el estado de los granos [123]. Los autores sugieren que las curvas resultantes podrían tener potencial como herramienta para la detección de adulterantes. Pereira et al. Se informó que el análisis termogravimétrico fue útil para detectar adulterantes como granos de granero, trigo, maíz y palos en el café molido [124]. En general, las técnicas térmicas pueden proporcionar información valiosa sobre los cambios químicos y físicos que ocurren durante las etapas de tostado, almacenamiento y preparación del café. La capacidad de reconocer y monitorear estos cambios es crucial para mantener los estándares de la cadena de producción y la seguridad del cliente. Sin embargo, no proporciona capacidades de identificación de compuestos.

7.4. Detección de Gases (Nariz Electrónica)

Rodríguez et al. informaron sobre el uso de narices electrónicas para el análisis de granos verdes [125]. Sugieren que la técnica podría adaptarse para monitorear el proceso de tueste del café. En un estudio similar, Barea-Ramos y sus colegas advierten que los sensores de gas utilizados en narices electrónicas son propensos a la deriva, lo que puede generar variaciones en los resultados incluso al usarse en la misma muestra en condiciones idénticas. Esto puede limitar la capacidad de estos conjuntos y modelos de sensores para clasificar e identificar tuestes de café [126].

En general, los investigadores en el campo de la detección de gases que utilizan aparatos como los sensores de nariz electrónica Agrinose confirman que estas técnicas pueden facilitar análisis más rápidos que los análisis GC-MS tradicionales. Promueven estas herramientas de detección de nariz electrónica para la inspección, clasificación y monitoreo de la calidad del café. Sin embargo, cabe destacar que estas herramientas emplean sensores semiconductores de óxido metálico (MOS), que están sujetos a deriva y tienen límites de detección más bajos, para detectar los gases del analito objetivo. En consecuencia, se limitan comparativamente y significativamente a la cromatografía de gases-espectrometría de masas [127]. Esta técnica es más rentable que el análisis por cromatografía de gases estándar y se está investigando como una herramienta de cribado para monitorear ciertos COV resultantes del proceso de tostado del café [19,45,60]. En combinación con el modelado de máquinas, el uso de la tecnología de nariz electrónica puede automatizar dichos procedimientos de cribado y limitar la necesidad de participación del personal, lo que limita el impacto de la posible interferencia humana [128]. Sin embargo, las limitaciones asociadas con este método no pueden ignorarse, principalmente la concentración de COV presentes, que actúa como un factor limitante, lo que a su vez puede impedir su utilidad en aplicaciones del mundo real.

8. Discusión y Conclusiones

Los recientes avances en diversas disciplinas relacionadas con la producción de alimentos permiten a los analistas comprender mejor las características y propiedades compositivas y nutricionales de estos productos naturales, lo que permite un enfoque más holístico, interdisciplinario y sistemático del análisis de alimentos. La introducción de técnicas modernas de análisis de datos, junto con técnicas analíticas multifacéticas/multicomponentes, permite explicar atributos y propiedades específicos relacionados con características químicas y sensoriales que no se determinan fácilmente mediante el análisis químico dirigido clásico. La literatura incluye numerosos trabajos que ilustran el potencial de la quimiometría. En combinación con otras técnicas, la quimiometría puede establecer un método más intuitivo, en campo y durante el proceso, para monitorear la calidad del café a lo largo de todo el proceso de producción, con el fin de brindar una mejor asistencia a las partes interesadas. La incorporación de una técnica térmica, como el análisis termogravimétrico combinado con espectroscopia infrarroja, podría permitir el monitoreo en tiempo real de la evolución de los volátiles del café a lo largo del proceso de tueste y el programa de temperatura típicos. El análisis puede ampliarse mediante un sistema integrado que transfiere los volátiles generados durante el proceso de tostado, realizado por el TGA, a través del infrarrojo (IR) y a un componente de cromatografía de gases-espectrometría de masas (GCMS). Este componente separará aún más los compuestos involucrados, lo que permitirá un cronograma de evolución y una caracterización más detallados. Un análisis espectroscópico exhaustivo posterior permitiría el desarrollo de un enfoque estadístico y un análisis multivariante para la categorización y clasificación del producto a lo largo de la cadena de suministro. La optimización de este enfoque podría conducir a la creación de una base de datos completa, disponible para agricultores, cultivadores, tostadores, distribuidores y consumidores.

En las últimas décadas, el café se ha consolidado como un producto codiciado en todo el mundo. Con una popularidad aparentemente creciente, la demanda de producción también crece, lo que ejerce una presión cada vez mayor sobre los productores. Para satisfacer la demanda, es necesario optimizar la producción, así como el control de calidad y las normativas. Según la literatura disponible, cada paso del proceso de tostado del café se examina por separado. Esto produce resultados detallados, pero requiere mucho tiempo y recursos en términos de equipos, consumibles y personal. Dado que el proceso de tostado es vital en la producción de café y productos derivados, una solución de cribado en línea permitiría un análisis rápido y no destructivo, cuyos resultados pueden analizarse e interpretarse mediante quimiometría. Esto, a su vez, puede simplificar la caracterización in situ y la detección de posibles fraudes, además de facilitar el seguimiento de las normas mediante análisis multivariante.

Las técnicas analíticas mencionadas anteriormente permiten comprender la complejidad de una simple taza de café. Desde el cultivo hasta el tostado, la molienda y la elaboración de la bebida, todo el proceso es sumamente complejo, y el desarrollo del sabor y el aroma se produce en cada etapa.

Contribuciones de los autores

R.P.: Conceptualización, Investigación, Redacción (borrador original), Redacción (revisión y edición). S.G.: Conceptualización, Redacción (revisión y edición), Supervisión. B.S.C.: Redacción (revisión y edición), Supervisión, Administración del proyecto. A.P.: Conceptualización, Redacción (borrador original), Redacción (revisión y edición), Supervisión. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Financiación

Esta investigación no recibió financiación externa.

Declaración de disponibilidad de datos

Los datos que respaldan esta revisión están disponibles abiertamente en ScienceDirect (https://www.sciencedirect.com ), a través de la cuenta de la Universidad Tecnológica de Dublín y los servicios de biblioteca de la Universidad Tecnológica de Dublín.

Conflictos de intereses

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

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