Tabella: caratteristiche delle specie C. arabica e C. canephora. Grappoli sull asse della foglia (crimson to rosso o giallo) Allungata, elissoidale

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1 IL CAFFE

2 IL CAFFE Pianta appartenente alla famiglia delle Rubiaceae che include 500 generi e 8000 specie. Genere: Coffea L. Le due specie importanti dal punto di vista economico: o C. arabica L. (3/4 della produzione mondiale) o C. canephora L. (= robusta) (1/4 della produzione mondiale) Il caffè è ottenuto dai semi del frutto del caffè= drupa di colore rosso contenete un mesocarpo gelatinoso ricco di pectine e 2 semi. In ogni frutto: 2 semi

3 Tabella: caratteristiche delle specie C. arabica e C. canephora Parametro Arabica Canephora Principale varietà Arabica Robusta Clima ottimale temperato Caldo-umido Altitudine (m) Temperatura ( C) Piovosità (mm/anno) Cromosomi Foglia Piccola, ovale Larga Fiore (da bianco a piccoli Grandi rosa) Frutto (drupa) Forma frutto Grappoli sull asse della foglia (crimson to rosso o giallo) Allungata, elissoidale Grappoli sull asse della foglia (crimson poi nero) Ellissoidale, striata quando secco Maturazione (mesi) Seme Ovale, piatto, Da ovale a rotondo deeply grooved Caratteristica seme Taglio centrale a forma di S Taglio centrale lineare Caffeina (% su ss) (media: 1.2) (media: 2.2)

4 Tabella: composizione media di caffè verde (% sulla s.s.) Componente Arabica Robusta Caffeina e purine (in tracce) Trigonellina Proteine aminoacidi Carboidrati Acidi alifatici Acidi clorogenici Lipidi Glucosidi 0.2 Tracce Minerali totali Potassio

5 DIAGRAMMA DI FLUSSO DELLE FASI PRELIMINARI DI OTTENIMENTO DEL CAFFE Lavorazione a umido Disidratazione per esposizione al sole o in essiccatori Eliminazione rivestimento Raccolta frutti Essiccazione all 11-12% di umidità Lavorazione a secco Macerazione (+ fermentazione) Eliminazione rivestimento

6 TOSTATURA Operazione unitaria di riscaldamento ad alta temperatura ( C) per tempi variabili che determina significativi cambiamenti nelle proprietà: - chimiche - fisiche - strutturali e - sensoriali del caffè per effetto di reazioni chimiche e processi fisici innescati dal trattamento termico. Condizioni di processo: Metodo Temperatura ( C) Tempo (min) All americana (tostatura light) All italiana High Yield (alta resa) Torrefado (+ saccarosio)

7 Valutazione del grado di tostatura - colore - calo peso Grado di tostatura Calo peso (%) Light 1-5 Medium 5-8 Dark 8-12 Very dark > 12 IL PROCESSO DI TOSTATURA

8 3 fasi: Variazioni chimiche e fisiche Fase Variazioni chimiche Variazioni fisiche Termodinamica I umidità ed aw Limitata contrazione Endotermica (riscaldamento e calore latente di II III (solo in processi spinti Formazione composti della reazione di imbrunimento non enzimatico (Maillard, caramellizzazione): Pirolisi e carbonizzazione sostanze organiche Imbrunimento Aumento di volume Diminuzione densità Creazione struttura porosa e fragile Affioramento lipidi Ulteriore imbrunimento evaporazione) Endotermica Esotermica (per T superiori a C) Esotermica

9 Tabella: alcune proprietà fisiche di caffè verde e tostato (medium) ARABICA (peso iniziale: 0.15 g) Proprietà Verde Tostato Peso (g) Umidità (%) Calo peso in tostatura (%) Perdita di sostanza secca (% in peso) Densità (g/ml) Volume (ml) Raggio (mm) Porosità <

10 Composizione chimica di caffè verde e tostato (% s.s.) Arabica Robusta Componente verde tostato Verde Tostato Caffeina Trigonellina Proteine Aminoacidi Saccarosio Zuccheri riducenti Altri zuccheri 1.0 No data 2.0 No data Polisaccaridi Acidi alifatici Ac. chinico Ac. clorogenico Lipidi Prodotti della condensazione e caramellizzazione Composti volatili tracce 0.1 Tracce 0.1 Minerali

11 Variazione del colore Evoluzione degli acidi organici Acido Concentrazione Effetto della tostatura (% su s.s.) Formico Massima conc. in caffè tostati light, minore conc. a maggiore grado di tostatura Acetico Massima conc. in caffè tostati light, minore conc. a maggiore grado di tostatura Piruvico 0.06 Quantità indipendente dal grado di tostatura Lattico 0.11 Quantità indipendente dal grado di tostatura Malico Massima conc. in caffè tostati light, minore conc. a maggiore grado di tostatura Citrico Massima conc. in caffè tostati light, minore conc. a maggiore grado di tostatura chinico Aumento con la diminuzione dell acido clorogenico

12 Componenti volatili dell aroma - Composti ottenuti dalla reazione di Maillard (tra zuccheri, carboidrati e fenoli e composti azotati -proteine ed anche trigonellina, serotonina-) - Composti ottenuti dalla degradazione di Strecker - Degradazione termica di alcuni aminoacidi - Degradazione termica (caramellizzazione) zuccheri - Degradazione di acidi fenolici, specie dell ac. chinico - Degradazione (limitata) composti lipidici - Interazione tra i composti intermedi delle reazioni di degradazione oltre 700 composti appartenenti a diverse classi chimiche: composti solforati, pirazine, piridine, pirroli, ossazoli, furani, composti carbonilici, fenoli

13 MACINAZIONE o Geometrie usate: Tipo roller : coppia di cilindri con assi paralleli. I chicchi sono costretti a passare cadendo per gravità nella fessura tra i due cilindri Conica: Assemblaggio di due parti con forma di tronco cono che crea una fessura Piana: coppia di dischi con una cavità a tronco-cono, ravvicinati in modo da creare una fessura Fase finalizzata alla riduzione delle dimensioni del chicco in frammenti ed a favorire i processi di estrazione della bevanda. Obiettivi: - aumentare la superficie specifica di estrazione ovvero, - incrementare l entità dell interfaccia tra acqua e solidi per facilitare il trasferimento dei solidi solubili e le sostanze emulsionabili nella bevanda Tipologia attrezzature: - macine a lame rotanti (es. uso domestico): imprimono un elevato sforzo di taglio sulle particelle che incontrano durante il loro passaggio. o Non permette di regolare la dimensione delle particelle ottenute. o La finezza del macinato dipende dalla durata del processo - macine che prevedono il passaggio dei chicchi attraverso una fessura in movimento, la cui geometria determina la graduale riduzione delle dimensioni delle particelle. o In funzione della geometria delle superfici di taglio, gli sforzi applicati possono essere di taglio o diu compressione.

14 A livello industriale: accoppiamento di due sistemi di macinazione (es. 2 coppie di roller oppure conica+ piana) In tutti i casi, la macinazione prevede due fasi: - rottura del chicco - frammentazione delle particelle fino alla finezza desiderata Fattori che influenzano la macinazione - Variabilità della miscela - Grado di tostatura - Umidità del caffè - Entità della fessura nella macina Il grado di macinazione influenza il successivo processo di estrazione

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16 CONSERVAZIONE DEL CAFFE TOSTATO NECESSITA DI UN ADEGUATO CONFEZIONAMENTO Cause di scadimento qualitativo: 1. ossidazione e/o degradazione dei componenti volatili dell aroma Due fasi: a. da 0 a 60 gg (circa) b. oltre 60 gg Questo fenomeno porta ad un significativo decadimento qualitativo del caffè 2. Perdita di componenti volatili dell aroma 3. Perdita della CO 2 : dopo tostatura, l anidride carbonica intrappolata nella struttura cellulare viene persa con un calo peso di circa %. La velocità di perdita è inversamente proporzionale al grado di tostatura. Questo fenomeno crea problemi nel prodotto confezionato Nel prodotto macinato, la macinatura determina la perdita di circa l 80% dell anidride carbonica 4. Migrazione olio in superficie 5. Ossidazione della frazione lipidica 6. Aumento umidità: a fine tostatura caffè tostato ca. 1% e caffè è altamente igroscopico

17 Caratteristiche di un materiale idoneo per confezionamento caffè tostato: - buona barriera per: umidità, ossigeno - deve preservare l aroma - resistente al grasso - barriera alla luce - permettere l uscita dell anidride carbonica - inerte - sicuro dal punto di vista igienico - resistente a modificazioni di pressione - piacevole alla vista - Atmosfera protettiva (CO 2 + N 2 ): tale tecnologia consente l allungamento della vita commerciale (rispetto all aria) di tre volte. Utilizzato su caffè degasato. La pressione all interno della confeziona = pressione atmosfera Tecnologie di confezionamento - in aria: usata solo per caffè degassato per prevenire l aumento di pressione della confezione. o Se non degassato: valvola sulla confezione (caffè raffreddato con aria) o Svantaggi: la valvola può consentire la perdita anche di componenti volatili. La presenza di ossigeno nello spazio di testa favorisce le ossidazioni - Sottovuoto: ideale per limitare le ossidazioni. Utilizzato per caffè raffreddato con acqua. Questo sistema di raffreddamento può limitare la shelf-life

18 - Pressurizzato: P interna > P ambiente. Si sfrutta l aumento naturale della pressione legata al rilascio di anidride carbonica. Necessita l uso di contenitori rigidi. La pressurizzazione può migliorare le caratteristiche sensoriali del caffè in quanto: o Limita la migrazione di olio in superficie o Favorisce la ritenzione dei componenti volatili nel prodotto e la loro interazione con la fase lipidica e/o le melanoidine

19 LA BEVANDA DI CAFFE Origine: Etiopia Origine bevanda: araba Medioevo: arrivo in Europa e nel 1600 a Venezia compare la prima bottega del caffè. Alla fine del 1700, il caffè è conosciuto in Europa ed nel Nord America Oggi: l industria del caffè è seconda solo a quella del petrolio in termini di volume d affari e di addetti impiegati Modalità di consumo: diverse nei diversi Paesi Italia: funzione corroborante, digestiva., consumo immediato dopo preparazione Resto del mondo: bevanda, in taluni casi anche come softdrink, mantenuta calda nell arco della giornata Questo dipende anche dalla modalità di ottenimento del caffè tostato e di preparazione della bevanda: espresso prodotto tipico italiano

20 ESTRAZIONE DELLA BEVANDA DI CAFFE b. Estrazione Forza motrice del trasporto di materia dal caffè verso l esterno: gradiente di concentrazione dei soluti nel caffè e nel solvente. Lo stato di equilibrio è raggiunto al raggiungimento di pari concentrazione dei soluti tra il solvente e il caffè Bevanda di caffè: prodotto ottenuto dall estrazione delle sostanze solubili o disperdibili (solide, liquide e gassose) del caffè tostato mediante acqua. Fattori che influenzano la VELOCITA di estrazione e la sua RESA: - Natura del solvente (qualità acqua) - Temperatura del solvente - Rapporto solido-liquido - Tempo di contatto - Sistema di agitazione - Granulometria del macinato Fasi del processo estrattivo a. Imbibizione della polvere di caffè Fase che consente la fuoriuscita dei gas adsorbiti sulle particelle solide e trattenute negli spazi interstiziali. Durata: variabile, dipendente dallo spessore dello strato di caffè e della sua granulometria E la fase che prepara la polvere alla vera e propria estrazione dei soluti da parte dell acqua

21 Legge che descrive questa fase del processo: Legge di Fick a. Idrolisi Fase in cui ha luogo l idrolisi di alcune sostanze In particolare: carboidrati solubili, frazioni proteiche (in componenti solubili a minore PM) s =DA [(C-c)/x] s= quantità di soluto che diffonde A: sezione X: spessore D: coefficiente di diffusione C-c: gradiente di concentrazione tempo di contatto La dipendenza del coefficiente di diffusione D è espressa dalla relazione di Einstein D =kt dove, k: costante indipendente dalla temperatura, ma funzione delle dimensioni delle molecole di soluto T: temperatura assoluta : viscosità del solvente alla T di esercizio D dipende doppiamente dalla T (direttamente e per effetto sulla viscosità)

22 Fattori che influenzano la QUALITA della bevanda: - caratteristiche materia prima - trattamento post raccolta - composizione miscela (in Italia anche 5-10 varietà) - grado di tostatura - macinazione - conservazione del caffè verde e tostato - modalità di estrazione - apparecchio di estrazione - manualità operatore COMPOSIZIONE BEVANDA COMPOSIZIONE CAFFE Il processo estrattivo determina una SELEZIONE dei componenti favorisce la rimozione ed il trasferimento dei componenti PIU IDROsolubili estrazione di circa il 22% delle sostanze contenute nel caffè tostato Totalmente: ac. chinico e gli acidi alifatici % di alcaloidi e di acidi clorogenici % composti volatili 20% proteine e melanoidine 1-5% composti lipidici NEL RESIDUO: polisaccaridi e cellulose

23 CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI PREPARAZIONE DELLA BEVANDA DI CAFFE 1. Decozione Tale metodo consente di preparare: a. caffè bollito b. caffè alla turca c. caffè percolato d. caffè sottovuoto 2. Infusione Si ottengono: a. caffè filtrato b. caffè alla napoletana 3. pressione Si ottengono a. caffè estratto direttamente al tavolo del ristorante b. caffè moka c. caffè espresso d. espresso-cialda

24 Decozione E relativa all estrazione ottenuta quando la polvere di caffè è mantenuta a contatto con l acqua a temperatura idonea per un certo periodo di tempo allo scopo di aumentare la concentrazione di solidi solubili nella fase liquida. In genere: si porta l acqua all ebollizione e si aggiunge la polvere di caffè. N.B.: non prolungare eccessivamente il tempo di estrazione (caratteristiche sensoriali sgradevoli o troppo marcate e perdita di composti volatili + idrolisi). Presenza polvere = > colesterolo a. Caffè bollito: tipico delle popolazioni dei Paesi nordici. All acqua in ebollizione si addizione la polvere di caffè. Il tutto viene mantenuto nell ebollitore per lungo tempo. Comparsa di sapori sgradevoli e perdita di aroma

25 b. Caffè alla turca: consumato in Turchia ed in altri Paesi del bacino del Mediterraneo (Slovenia, Marocco). Simile a caffè greco e israeliano ( mud coffee o caffè melmoso). Attrezzatura: lungo macinino (per macinare finemente il caffè) e pentola di rame ( ibrik ). Metodologia di preparazione: 1. la polvere finissima di caffè viene arricchita con frammenti di semi di caffè (favoriscono la sedimentazione) 2. Riempimento dell ibrik con polvere di caffè e zucchero + acqua freddo 3. riscaldamento fino all ebollizione incipiente (formazione schiuma) 4. raffreddamento 5. Si ripete la fase 3, per altre 2 o 3 volte. 6. al momento del consumo: si lascia leggermente sedimentare la polvere

26 c. Caffè percolato: metodo di estrazione a riflusso continuo Estrattore: contenitore cilindrico sul quale è posizionato un imbuto con annesso il filtro. Si lascia raffreddare, anche per favorire la separazione del macinato esausto e che il liquido percoli nel pallone sottostante. Si versa direttamente dal pallone. Modello base o elettrico Metodologia di preparazione: 1. inserimento della polvere di caffè sul filtro 2. riscaldamento dell acqua fino all ebollizione All ebollizione una piccola differenza di pressione spinge l acqua attraverso il collo dell imbuto e quindi sul filtro estrazione ricaduta nel contenitore sotto il filtro ripetizione ciclo estrattivo. Consumo: tipico in America Caratteristiche bevanda: scadenti, scarso aroma, sapore astringente a. Caffè sottovuoto: inventato da Robert Napier nel 1840 Estrattore: imbuto a forma di pallone di vetro (contenitore per caffè) che si appoggia attraverso una parete forata sopra un secondo pallone contenitore cilindrico (per l acqua). Metodologia di preparazione: 1. Si porta all ebollizione l acqua che, per differenza di pressione passa nel pallone soprastante attraverso il collo e si mescola al macinato. 2. Durata estrazione: 3-5 minuti

27 Infusione E relativa all estrazione ottenuta quando la polvere di caffè è posta a contatto con l acqua bollente prima di separarli per filtrazione. Si differenzia dai metodi per decozione per i brevi tempi di contatto tra acqua a caffè. Il metodo più antico Consente di ottenere bevande gradevoli a. Caffè filtrato: bevanda chiara e trasparente consumata generalmente in Nord Europa. Estrattore: filtro di carta su cui viene posto il caffè (tostatura media) che si appoggia su un cono di plastica. Sotto il cono c è un recipiente appoggiato a sua volta su una piastra riscaldante che raccoglie il caffè. Attrezzature moderne: sistema di movimentazione dell acqua con velocità controllate. Se il caffè permane a lungo sulla piastra: alterazioni sensoriali

28 a. Caffè alla napoletana:sistema di infusione semplice legata alla macchinetta napoletana nata agli inizi dell 800. Determina l estrazione del caffè per caduta dell acqua per gravità. Estrattore: primo pentolino (che viene riempito d acqua) con annesso un filtro che contiene il caffè macinato e da un secondo pentolino posizionato sopra. Funzionamento: si porta l acqua all ebolizione e a quel punto, lontano dalla sorgente di calore si rovescia la macchinetta che fa cadere e passare l acqua attraverso il letto di caffè immobilizzato tra due piatti filtranti che ne impediscono il passaggio nella bevanda

29 Pressione E relativa all estrazione ottenuta quando l acqua attraversa il caffè macinato disposto in strato compatto applicando una pressione (anche 10 atm). L energia del processo favorisce l estrazione di un maggiore numero di composti, in altri casi non estraibili (gocce di olio, sostanze a maggiore P.M.) a. Caffè estratto direttamente al tavolo: tipico di alcuni Paesi anglosassoni. Estrattore: dispositivo composto da un bicchiere munito di pistone interno con una base finemente perforata, libero di muoversi. Metodo di preparazione: 1. Rimozione pistone 2. aggiunta di caffè macinato grossolanamente di media tostatura + acqua bollente 3. Dopo qualche minuto di infusione viene fatto scendere il pistone che filtra la bevanda P di estrazione: da 0.01 a Aumenta al diminuire delle particelle di caffè Caratteristiche bevanda: schiumosa, torbida, corposa che contiene disperse particelle fini disperse e goccioline d olio.

30 a. Caffè moka: Estrattore: la moka: autoclave di alluminio o di acciaio che viene riempita d acqua e dotata di una valvola di sicurezza. In questo recipiente viene inserito un filtro forato, terminante con tubicino che è immerso nel liquido, in cui si dispone il caffè finemente macinato. L autoclave è sormontata da un recipiente dotato di filtro di acciaio e guarnizione in gomma. Metodo di preparazione: 1. Riempimento autoclave con acqua e filtro con caffè macinato 2. Avvitamento del recipiente superiore e riscaldamento dell acqua 3. All ebollizione: > P nell autoclave passaggio dell acqua dall autoclave al recipiente superiore passando attraverso il filtro. P moka: non superiore a 0.5 atm (= 110 C) - Un eccessivo aumento di T determina sapori sgradevoli - Rischio Quantità caffè: 6-8g Volume bevanda: ml

31 a. Caffè espresso : Espresso italiano : infuso concentrato ottenuto per estrazione in acqua calda sotto pressione di caffè tostato e macinato per un tempo breve e definito. Il termine espresso si riferisce a: preparazione al momento della richiesta e consumo immediatamente successivo Elementi caratterizzanti la qualità: sapore, aroma, colore + crema. Crema: schiuma + dispersione fine di goccioline di olio ottenuta grazie alla presenza di composti tensioattivi nel caffè (> nella varietà Robusta). L olio disperso è importante per la sua capacità di solubilizzare e trattenere un maggior numero di composti aromatici. Estrattore: macchina da espresso. E composta da tre parti: 1. pompa idraulica 2. caldaia 3. gruppo estrattore L acqua riscaldata nella caldaia è guidata attraverso la pressione fornita dalla pompa idraulica verso il gruppo estrattore. Nel gruppo estrattore è collocato un filtro al cui interno è collocato la polvere di caffè. Esistono modelli con dosaggio automatico della polvere, il controllo della pressione e del tempo di estrazione.

32 PARAMETRI DI ESTRAZIONE del caffè espresso 1. Pressione di lavoro dell apparecchiatura Generalmente: 9 atm 2, sufficiente a estrarre aromi, solidi solubili e sostanze liofile. Il flusso dell acqua dipende linearmente dalla pressione ma il progressivo accumulo delle particelle durante l estrazione ne causa la progressiva diminuzione. 2. Compressione del pannello: può influire, a parità di altre condizioni, alcune grandezze fisiche e la qualità della bevanda.

33 Granulometria del caffè macinato: Ideale: quella che consente di avere l erogazione di un volume di bevanda pari a ml in secondi. Quantità mediamente utilizzata: g. Macinazione errata può portare ad alcuni difetti: o granulometria eccessivamente grossa: crema chiara (il caffè scende velocemente) o granulometria fina: crema scura (il caffè scende lentamente) o granulometria troppo fina: tracce di fondi nella tazzina. N.B. La granulometria si riferisce ad un valore medio del diametro delle particelle. Tuttavia al fine di ottimizzare il processo estrattivo è necessario disporre di un macinato NON con particelle tutte di simile dimensione ma con una distribuzione delle dimensioni descrivibile come un andamento bimodale o trimodale oppure attraverso un equazione esponenziale. Questo permette di creare un vero letto filtrante con una struttura porosa che consente il passaggio dell acqua ed il contatto con particelle di elevata superficie.

34 E necessario ottimizzare la granulometria al fine di massimizzare la superficie esposta ed il corretto flusso in uscita. Il flusso in uscita dipende da: granulometria umidità polvere pressione sulla polvere In condizioni di alta umidità è necessario diminuire la forza di compressione sulla polvere o aumentrare la granulometria 4. Umidità del caffè macinato Aumento umidità (riumidificazione): - sostanze estratte - scadimento qualitativo - tendenza verso valori di ph più bassi Tuttavia una preumidificazione del caffè già collocato nel filtro (moistening) mediante passaggio di vapore o di acqua nella cella di estrazione induce il rigonfiamento del caffè prima dell estrazione bevanda con maggiore corpo e caratteristiche sensoriali

35 Tempo di estrazione Ideale: 30 s 5s Se < 15 s: tazza acquosa, bevanda sotto-estratta e acida Se > 30 s: sovraestrazione di componenti, caffè dal gusto duro 6. Quantità di macinato All aumentare della quantità di macinato: residuo secco ph 7. Qualità dell acqua Generalmente: acqua potabile della rete idrica Per garantire una buona qualità sensoriale della bevanda è necessario: - Eliminare sapori ed odori imputabili a trattamenti di purificazione (cloro). I composti del cloro utilizzati durante la potabilizzazione liberano Cl 2 che è percepito quando la sua concentrazione >0.5 mg/l uso di filtri a carbone attivo - Ridurre, se del caso, la durezza dell acqua (Sali di Ca e Mg) incrostazioni efficienza scambio termico aumento tempo di percolazione - A livello casalingo: lavaggi con soluzioni leggermente acide - A livello di attrezzature da ristorazione: utilizzo di addolcitori (resine a scambio ionico, da rigenerare periodicamente, che eliminano il Ca2+ in cambio di Na+) e di demineralizzatori (resine in serie che eliminano cationi ed anioni liberando H+ ed OH-, oppure sistemi ad osmosi inversa) 8. Temperatura L estrazione del caffè è assimilabile ad una reazione di dissoluzione di specie chimiche in acqua e dipende da: - costante di equilibrio e velocità di reazione

36 Modello matematico che descrive l estrazione della bevanda di caffè espresso (Bullo e Illy, 1963) V = p (t) dt R [t,t(t)] V: volume della bevanda T : Temperatura nel caffè t : tempo di estrazione o di percolazione p: Differenza di pressione tra le superfici superiore ed inferiore dello strato di caffè R: resistenza idraulica dello strato di caffè

37 Caratteristiche del caffè espresso Densità e viscosità: relative al materiale estratto La viscosità è correlata con la corposità Al momento del consumo si distinguono due fasi: - la crema (schiuma): ad elevata instabilità fisica - la bevanda a. Caratteristiche FISICHE a.1. CREMA E un sistema BIFASICO composto da bolle d aria disperse in un film liquido (detto epi-lamina o lamellae ) composto da una soluzione acquosa di componenti con attività tensioattiva: glicolipidi o glicoproteine Creazione schiuma: frazione polisaccaridica Stabilità schiuma: frazione proteica Se abbondante: indice di macinazione recente caffè (rilascio CO 2 in estrazione e tazzina) In un buon espresso dovrebbe persistere per almeno 2 min. a.2. BEVANDA E un sistema POLIFASICO: - un emulsione di goccioline di olio disperse in una soluzione concentrata di zuccheri, sali, acidi, caffeina ed altri composti a maggiore PM - una schiuma: la CO 2 estratta è dispersa nella soluzione concentrata come fini bolle - una sospensione di particelle solide

38 Caratteristiche CHIMICHE Tabella: parametri chimici di caffè espresso (30 ml/30 s)ottenuti da varietà Arabica e Robusta (Illy e Viani, 1995) Parametro Miscela di caffè Arabica Miscela di caffè Robusta Densità (20 C, g ml -1 ) Viscosità (45 C, mpa s) Indice di rifrazione (20 C) Indice rifrazione del filtrato (20 C) Tensione superficiale (mn m -1 ) Solidi totali (mg ml -1 ) Solidi totali sul filtrato (mg ml -1 ) Lipidi totali (mg ml -1 ) Lipidi insaponificabili (mg ml -1 ) ph Acidi clorogenici (mg ml -1 ) Carboidrati solubili (mg ml -1 ) Azoto totale (mg ml -1 ) Caffeina (mg ml -1 ) Ceneri (mg ml -1 ) Potassio (mg ml -1 )

39 EFFETTI DELLE TECNICHE DI ESTRAZIONE SULLE CARATTERISTICHE CHIMICHE DEL CAFFE 1. CAFFEINA Cinetica: La velocità di estrazione della caffeina segue una cinetica del primo ordine secondo l equazione (Spiro et al., 1986): ln (Cf/Cf-C) =kv dove, Cf: concentrazione di soluti finali in condizioni di equilibrio C: concentrazione al volume V Volume bevanda estratta e metodo estrazione: nelle prime fasi è maggiore nel caso dell espresso Temperatura di estrazione effetto T sulla solubilità della caffeina Miscela di caffè è relativa al diverso contenuto tra Arabica e Robusta Grado di tostatura > grado di tostatura > velocità estrazione

40 Metodo di estrazione a. Volume dell estratto > nel corso di un estrazione con moka > nelle prime fasi di estrazione Tabella: Concentrazione di caffeina e resa d estrazione da differenti metodi di estrazione (Viani, 1993) Metodo di preparazione Quantità di polvere di caffè (g/l) Quantità di caffeina (g/l) Resa di caffeina (%) Filtrazione Moka Napoletana Estrattore a pressione francese Percolazione Bollitura espresso SOSTANZE SOLIDE (SOLUBILI E INSOLUBILI) Cinetica: La velocità di estrazione delle sostanze solide segue una cinetica del primo ordine E influenzata da vari fattori

41 a. tempo e temperatura Tabella: Valori della quantità di solidi estratti (Nicoli et al., 1990) Temperatura ( C) Tempo (min) Solidi totali (g) , c. Metodo di preparazione Tabella: valori di solidi insolubili e del rapporto solidi insolubili/solidi solubili in funzione del metodo di preparazione (Petracco, 2001) Metodo di preparazione Solidi insolubili (g/l) Solidi insolubili/solidi solubili (%) Bollitura Percolazione Filtrazione Napoletana Estrattore a pressione francese Moka

42 Tabella: resa d estrazione (Petracco, 2001) Metodo di preparazione Solidi totali (g/l) Resa di estrazione (%) Bollitura Percolazione Filtrazione Napoletana Estrattore a pressione francese Moka Espresso d. rapporto acqua/caffè all aumentare del rapporto acqua/caffè diminuzione solidi

43 1. ph DELLA BEVANDA dipende dal tipo di acidi presenti, dalla loro concentrazione, volatilità, costanti di dissociazione e dalla quantità di CO 2 in soluzione Acido n. protoni pk a Concentrazione (mol/100 ml) clorogenico Citrico Chinico Fosforico Formico Acetico Malico Glicolico Lattico Tabella: concentrazione e caratteristiche chimiche di acidi nella bevanda di caffè (Clifford, 1989)

44 Fattori che influenzano il ph della bevanda ph estratto Fattori che influenzano il ph: - Temperatura estrazione: > T idrolisi lattoni aumento acidità - Volume estratto il valore di ph aumenta all aumentare del volume estratto. Le prime frazioni: ph ca. 5.5 Ultime: ph ca. 6 Dipende dalla maggiore solubilità degli acidi alifatici, estratta molto rapidamente nelle prime fasi del processo - tempo e Temperatura di estrazione per T ca. 100 C e lunghi tempi di estrazione (20-30 min), il ph tende a diminuire - T torrefazione Esiste un minimo di ph per entrambe le varietà a T intermedie 5,80 5,60 5,40 5,20 Arabica Robusta 5,00 4, Temperatura di torrefazione ( C)

45 - tempo di torrefazione ph dell'estratto - Arabica> Robusta 5,9 5,8 5,7 5,6 5,5 5,4 5,3 5,2 5, tempo di toststura (min) 4. SOSTANZE VOLATILI (ridisegnata da Massini et al., 1990) CO 2 + altri composti ottenuti dalle reazioni innescate dalla tostatura La loro presenza: - è maggiore : al diminuire della granulometria all aumentare rapporto acqua/caffè 5.COLORE la polimerizzazione dei composti fenolici e la reazione di Maillard porta alla formazione di polimeri colorati: melanoidine

46 STANDARDIZZAZIONE DEL CAFFE ESPRESSO - Nell ambito dell UNI, si è costituito un comitato che si occupi di bevande quali caffè, tè e tè erbacei - A livello spontaneo si è creata una standardizzazione inerente l uso delle macchine estrattrici e delle condizioni di estrazione: o P estrazione: 9 atm o T acqua: 90 C o Dimensione tazza: ca. 20 ml

47 LA CIALDA Utilizzo: in estrattori predisposti per uso domestico o per collettività Vantaggi: costanza quantità e facilità d uso Caffè tostato in grani Macinatura Dosatura 7 g monodose 14 g doppia dose Carta da filtro Formatura cialda Saldatura cialda Materiale accoppiato plastica/al + N 2 imbustamento Confezionamento in imballaggio secondario

48 LA BEVANDA DI CAFFE PER USO INDUSTRIALE A livello industriale l estrazione del caffè può essere effettuata per ottenere: - caffè solubile (da ricostituire) - caffè ready-to-drink - concentrati per macchine distributrici - semilavorati per prodotti dolciari, gelati, etc. Tecnologia estrattiva: in genere PERCOLAZIONE - Discontinua (una singola colonna di percolazione) - Continua (più colonne di percolazione) o La percolazione INDUSTRIALE porta ad ESAURIMENTO delle polveri o Per l ottenimento di caffè in polvere l estrazione è condotta ad alta P e T per aumentare le rese e la concentrazione degli estratti

49 Caffè ready to drink : Classificazione in Giappone: - caffè : bevanda ottenuta da più di 5 g di caffè - bevanda di caffè : prodotto contenente eventuali altri componenti (zucchero, correttori di acidità, ) - soft drink : contiene caffè in minore percentuale e corrisponde ad una bevanda contenente anche zuccheri, latte e derivati, grassi ed oli emulsionati ed altri ingredienti In Italia: diffusione limitata In aumento grazie a confezioni autoriscaldanti ed autorefrigeranti Problematiche: utilizzo materie prime di qualità scadente; problemi di stabilità del prodotto (aggiunta di stabilizzanti, interventi di stabilizzazione???) abitudine di consumo

50 DIAGRAMMA DI FLUSSO DELLA PRODUZIONE DI ALCUNE BEVANDE DI CAFFE A LIVELLO INDUSTRIALE Caffè macinato Estrazione Bevanda Filtrazione o centrifugazione Confezionamento* Concentrazione Pastorizzazione Concentrazione Pastorizzazione Confezionamento Disidratazione/ liofilizzazione Concentrato di caffè ready-to-drink Agglomerazione Confezionamento Caffè solubile * facoltativa in funzione della tecnologia di pastorizzazione adottata

51 Filtrazione/centrifugazione: necessaria per eliminare le particelle in sospensione modificazione sapore in conservazione) Concentrazione: attraverso crioconcentrazione, evaporazione o osmosi inversa (poco diffusa). In genere associata ad un recupero dei componenti volatili Pastorizzazione: necessaria per l abbattimento della microflora derivante da contaminazione ambientale. Studi recenti hanno evidenziato tuttavia, una buona stabilità microbica delle bevande di caffè concentrate grazie a: - ph - potenziale redox - presenza prodotti reazione Maillard STABILITA CHIMICA E SENSORIALE LIMITATA - variazione ph (diminuzione di ph che altera l equilibrio acidobase della bevanda e favorisce la precipitazione di componenti macromolecolari in dispersione colloidale). Limite accettabilità in bevanda ottenuta da caffè tostato all italiana: ph formazione di un corpo di fondo - perdita e modificazione aroma (ossidazioni) - cambiamento colore

52 DECAFFEINIZZAZIONE Caffeina: componente attivo dal punto di vista fisiologico in grado di esercitare numerosi effetti sul metabolismo e le funzioni vitali dell organismo umano. E la sola xantina alcaloide del caffè T sublimazione: 178 C T liquefazione: 236 C Azioni: - stimolante sul sistema nervoso centrale - aumento rendimento cardiaco, attraverso il rilassamento dei muscoli lisci dei vasi sanguigni - aumenta la secrezione dei succhi gastrici - effetti sul ciclo sonno/veglia (soggettivo e dose dipendente) Talora gli effetti sono NON desiderati o NON tollerati eliminazione della caffeina sul caffè verde attraverso processi di decaffeinizzazione. Stadi del processo di decaffeinizzazione 1. Rigonfiamento dei chicchi di caffè per solubilizzare il complesso caffeina-potassio clorogenato e rendere la caffeina estraibile 2. estrazione della caffeina mediante un agente solvente 3. eliminazione totale del solvente (se usato) 4. Rigenerazione degli adsorbenti (se usati) 5. Disidratazione dei chicchi di caffè decaffeinati al valore di umidità iniziale

53 Metodi di decaffeinizzazione a. Uso solventi organici Inventato dal dott. Roselius e brevettato nel 1905 (Germania). Prevede l uso di solventi che siano: - sicuri - buoni e specifici solventi per la caffeina - basso costo - facilità di rimozione dopo uso - bassa tossicità e reattività chimica - basso impatto ambientale I processi di estrazione con solvente differiscono in: - metodi di rimozione della caffeina dal solvente - metodi per rigenerare e riciclare il solvente 1. Uso solvente volatile: per evaporazione dà come risultato un solvente pulito pronto per il riciclo, lasciando un fango di caffeina che deve essere raffinato 2. Uso solvente altobollente: Si usa un estrazione liquido-liquido in contro-corrente con acqua o un sublimatore ad altovuoto Solventi più usati - cloruro di metilene: migliore solvente, ma tossico alta solubilità per caffeina basso punto di ebollizione facile rimozione dai chicchi Limite residui ammessi: 10 ppm - acetato di etile: meno selettivo

54 DIAGRAMMA DI FLUSSO DI DECAFFEINIZZAZIONE CON SOLVENTE Solvente+ caffeina Ciclo di recupero Chicchi caffè verde Pre- umidificazione (16-18%p/p) Umidificazione (oltre 40% p/p) Estrazione caffeina in controcorrente con solvente Eliminazione solvente (strippaggio in corrente di vapore) Caffè decaffeinato Disidratazione

55 . Estrazione con acqua Per prevenire l estrazione di altri componenti solubili del caffè, l acqua di estrazione contiene una quantità di solidi solubili diversi dalla caffeina in equilibrio con quella del caffè. Vantaggi: - alta velocità estrazione - caffeina pura nel sistema di recupero - minore trattamento termico del caffè (non c è la fase di strippaggio del solvente dal chicco) - eliminazione fasi di preumidificazione e umidificazione: l acqua necessaria per liberare la caffeina è fornita dall acqua usata come solvente DIAGRAMMA DI FLUSSO DI DECAFFEINIZZAZIONE CON ACQUA Acqua+ componenti solubili del caffè Acqua + soluti + caffeina Separazione caffeina (+ solvente o con carbone attivo) Chicchi caffè verde Sosta in estrattore (almeno 8 h per rimuovere oltre il 98% di caffeina) Lavaggio chicchi Caffè decaffeinato Disidratazione I chicchi di caffè raggiungono il 53% di umidità

56 Estrazione con CO 2 supercritica Ogni gas al di sopra della T critica assume le caratteristiche chimiche e chimico-fisiche intermedie tra un liquido ed un gas ed aumenta le sue capacità di solvente. I fluidi supercritici presentano un alta selettività, dipendendo questa dalle specifiche condizioni di P e T cui viene portato Decaffeinizzazione caffè con CO 2 supercritica: brevetto Hag (1977) Vantaggi: - eliminazione solventi nocivi: o CO 2 non è tossica, è inerte, non è corrosivo, non è costosa, si trova in condizioni supercritiche a T e P blande (T C: 40-80; P: bars) ideale per l estrazione di sostanze termolabili - elevata velocità estrazione - risparmio energetico - aumento qualità prodotto - processo efficiente - migliore qualità prodotto, più simile a prodotto non decaffeinato Svantaggi: - alto costo per investimento iniziale - talora, perdite di alcuni componenti volatili

57 DIAGRAMMA DI FLUSSO DI DECAFFEINIZZAZIONE CON CO 2 supercritica Solvente+ caffeina Ciclo di recupero Chicchi caffè verde Pulizia meccanica Umidificazione (30-50% p/p) Estrazione caffeina in controcorrente con solvente Eliminazione solvente (strippaggio in corrente di vapore) Caffè decaffeinato Disidratazione

58 Estrazione con CO 2 liquida Utilizzo della CO 2 in stato liquido operando in condizioni di T e P inferiori a quelle dello stato supercritico qualora siano sufficienti per l estrazione T: C P: tra 65 e 70 bar Condizioni tecnologiche: - Umidificazione chicchi tra 45 e 55% - La separazione della caffeina avviene per decompressione a P< 60 bar in un separatore - Tempo di estrazione: 60 ore - Caratteristiche qualitative caffè: simili al tal quale (bassa T) - Decaffeinizzazioone caffè macinato e tostato: brevetto HAG (Gehring, 1989)

59 Estrazione con componenti lipidici Utilizzo di materiali liquidi quali ESTERI DI ACIDI GRASSI (specie del glicerolo), olio di girasole, di mais, di arachide, di caffè. Tecnologia: Simile a quella descritta nella decaffeinizzazione con acqua. Condizioni ottimali: In controcorrente, in un impianto multistadi T: ca. 30 C Massima efficienza estrattiva: C Preliminare umidificazione: 40-60%

60 I SOSTITUTI DEL CAFFE E SURROGATI Surrogati: parti vegetali torrefatte trasformate per dare, in acqua calda, bevande sostitutive del caffè Parti vegetali utilizzate: Orzo, riso, malto d orzo, radici di cicoria (Cichorium intybus var. sativum) Schema di preparazione generale Raccolta Cernita Maltazione (facoltativa) Essiccazione Torrefazione Macinazione Aggiunta aromi/spezie (facoltativa) Maltazione: effettuata sulle matrici amidacee per aumentare il contenuto di zuccheri facilmente caramellizzabili o che rientrano nell evoluzione della r. di Maillard. I prodotti solubili sono ottenuti dall estrazione di una bevanda e successiva essiccazione mediante spray-drying o essiccazione su rulli. Principali surrogati del caffè: - caffè d orzo o di malto d orzo 4-12 % umidità, 2-4 % ceneri, 70 % ca. carboidrati, 1-2 % grassi, 5-6% fibra - caffè di cicoria: ottenuto per torrefazione delle radici aggiunte di zucchero di barbabietola, carbonati e piccole quantità di lipidi alimentari

61 Normativa nazionale ed internazionale E obbligatoria l indicazione del tenore minimo di residuo secco proveniente dal caffè o dalla cicoria in % del peso del prodotto finito. Caffè: - No legislazione specifica per caffè - Unica normativa: Circolare relativa al controllo ufficiale dei prodotti alimentari (CE 22/12/1998 n. 26): limiti per ocratossina A - caffè verde: 8 ppb - caffè tostato 4 ppb - Estratti di caffè e cicoria (surrogati del caffè) A livello europeo: Direttiva 99/4/CE del 22 febbraio 1999 relativa agli estratti di caffè e di cicoria. Si applica a: estratti di caffè, estratti di caffè solubile, caffè solubile o caffè istantaneo, ad eccezione del caffè torrefatto solubile, nonché a estratti di cicoria, cicoria solubile o cicoria istantanea che, ottenuti mediante estrazione dai grani di caffè o dalla cicoria torrefatti a mezzo di acqua, rispettino i tenori in residuo secco del caffè e della cicoria e le prescrizioni minime riportate in allegato. Fornisce indicazioni sulle denominazioni di vendita ( estratti di caffè,.) eventualmente seguiti dalle indicazioni riguardanti la presentazione (concentrato, in pasta,.,..)