estructura celular del cafe organico y tradicional y su relacion con la ...

REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 3. 2006
ESTRUCTURA CELULAR DEL CAFE ORGANICO Y TRADICIONAL Y SU
RELACION CON LA DIFUSIVIDAD TERMICA
L. F. Marín-Ramirez 1 , L. A. Cuellar-Rodriguez 1 , F. Gordillo-Delgado 1,2 .
1 Laboratorio de Optoelectrónica, Universidad del Quindío
2 Centro de Investigaciones en Ciencia aplicada y Tecnología Avanzada del I.P.N.
(Recibido 09 de Sep.2005; Aceptado 21 de Jun. 2006; Publicado 04 de Oct. 2006)
RESUMEN
A pesar de la intensa investigación alrededor de los mecanismos de tostado del café, estos no están
totalmente entendidos debido a la gran complejidad del tema. Aún es necesario combinar y
comparar diferentes resultados considerando parámetros como: origen del fruto, tamaño del grano,
masa del grano, humedad, color, apariencia, tiempo de tostado, temperatura del gas usado en el
proceso de tostado, tipo de tostador, etc. Los datos existentes sobre la conductividad térmica del
café son poco confiables y no se tienen perfiles de temperatura en el interior del grano. Tampoco
se comprenden bien los mecanismos de cambio de volumen del grano, de la resistencia estructural,
ni de la elasticidad de las diferentes capas del grano en el proceso de tostado.Conocer la estructura
celular del grano es de mucha importancia pues la solubilidad del café tostado y molido se debe al
rompimiento de dicha estructura, permitiendo la solución libre sin la necesidad de difusión de
moléculas y coloides fuera de la célula. En el presente trabajo se realiza un estudio de correlación
entre la difusividad térmica, medida usando la técnica fotoacústica, y la estructura celular del
grano vista a través de un microscopio óptico, para frutos cultivados con y sin el uso de químicos.
Los resultados presentados permitirían un posible método para certificar el café orgánico.
Palabras claves: Café, difusividad térmica, fotoacústica
ABSTRACT
Despite of intense searching about coffee roasting mechanisms, these are not being completely
understood due to the subject complex. Still it is necessary to combine and compares different
results, considering parameters as: fruit origin, grain size, grain mass, moisture, color, appearance,
roasting time, used gas temperature in the roasting process, roaster system, etc. The data about
coffee thermal conductivity are few credible and there are not temperatures profiles in the bean
interior. Bean volume change mechanisms, the structural resistance, and bean layer elasticity, are
not being well understood, too. The bean cellular structure knowledge is very important, because
the ground and roasting coffee solubility is due to breaking of this structure, it allows the free
solution without needing of molecules and colloids diffusion out cell. In this work, was studied the
correlation between thermal diffusivity, measured using photoacoustic technique, and the bean
cellular structure looked through of optical microcopy, for fruits cultivated with and without the
chemicals using. The presented results will allow a possible method for certify organic coffee.
Key Words: coffee, thermal diffusivity , photoacoustic
1. Introducción
El cultivo de café orgánico surge actualmente como alternativa para superar la crisis cafetera,
sin embargo los costos de producción de este tipo de café son altos debido a la falta de
organismos certificadores avalados internacionalmente. Las propiedades termofísicas influyen
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directamente en el diseño de cualquier proceso térmico ya que están involucradas en la
transferencia de masa y energía térmica, y tienen una estrecha relación con la estructura celular
y química de los materiales. Normalmente se utilizan modelos basados en la composición
básica de los materiales (alimentos, proteínas, aceites, agua, etc.) para calcular indirectamente
estas propiedades [i], una de estas es la difusividad térmica, propiedad clave para el análisis del
transporte de calor por conducción en los materiales. Se sospecha una diferencia notoria en la
estructura celular y química entre el café orgánico y el tradicional, las cuales pueden ser
corroboradas teniendo conocimiento de las propiedades termofísicas correspondientes; además,
el conocimiento de estas es de vital importancia para el diseño y construcción de procesos
óptimos de torrefacción.
Con la técnica FA de celda abierta como herramienta no destructiva [ii], es posible estimar de
manera directa la difusividad térmica, α, de materiales orgánicos e inorgánicos, ópticamente
opacos o transparentes, en estado sólido, líquido o gaseoso [iii]. Este parámetro de transporte
térmico es único para cada material y por ende está relacionado con su microestructura y
composición química [iv, v]
En este trabajo se reportan microfotografías y medidas de difusividad térmica del café verde
orgánico y tecnificado. Estos resultados muestran una clara diferencia que puede ser utilizada
como herramienta para procesos de certificación internacional.
2. Materiales, métodos y experimentación
Las muestras de café orgánico en fruto, de la variedad caturra fueron recolectadas de una finca
orgánica certificada del departamento del Quindío (municipio de Salento) ubicada a 1700 m
sobre el nivel del mar, y las de café tecnificado de una finca cercana a esta. Estas muestras
fueron beneficiadas utilizando el método húmedo convencional [4] hasta alcanzar una humedad
de 11 % [5]. Finalmente a los granos de café verde en almendra, seleccionados para medir
difusividad, se les hizo un proceso de adelgazamiento hasta alcanzar espesores de capa externa
de aproximadamente 600 µm, conservando la forma superficial convexa del grano.
Para las medidas de difusividad térmica, se utilizó la técnica FA con una configuración
convencional de celda abierta detallada en trabajos anteriores [vi]. La observación de la
estructura celular a través de microfotografías, requirió cortes horizontales a mano alzada con
un bisturí a los granos de café en almendra orgánico y tradicional, alcanzando espesores
aproximadamente de 100 µm los cuales fueron teñidos con lugol con el fin de tener una imagen.
Los cortes se observaron con un microscopio óptico utilizando aumentos de 100X y 40X,
finalmente estas imágenes fueron analizadas en el programa Motic Images 2000 1.3. Ink para
evaluarlas cuantitativa y cualitativamente.
3. Resultados y discusión
Dos de las cuarenta microfotografías tomadas por medio de un microscopio óptico a diferentes
muestras de granos verdes de café orgánico son mostradas en la figura 1; en todas ellas se
observaron células con tejidos y paredes muy bien definidas, con espacios intercelulares en
promedio de 3.9±0.1µm y áreas de 25.2± 0.2µm 2 . En el café tradicional, por el contrario, fueron
observados tejidos con células de formas irregulares, ausencia de pared celular, cambios
bruscos en los espacios intercelulares, de tal forma que las células se encuentran dispersas por
todo el tejido con muy poco orden como se muestra en la figura 2.
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Figura No.1 Células de café orgánico en aumento de 100X
Figura No.2 Células de café tecnificado en aumento de 100X
Las diferencias presentadas en la estructura celular pueden ser confirmadas midiendo las
propiedades termofísicas correspondientes para cada tipo de café. En la tabla 1 se presentan una
serie de medidas de difusividad térmica tomadas para muestras de café orgánico y tradicional
por medio de la técnica FA. El análisis estadístico realizado para estas medidas, considerando
tanto los valores obtenidos del criterio de ajuste de la amplitud, como del criterio de retardo en
la fase de la señal FA [vii], muestra una diferencia del valor promedio de la difusividad térmica,
ratificando el análisis antes realizado con las microfotografías.
Tabla No.1. Valores de difusividad térmica encontrada para café orgánico y tradicional
Muestra
Café tradicional
Café orgánico
Frecuencia de
Corte
Espesor
(cm)
Difusividad térmica (amplitud)
(cm 2 /s)
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Difusividad térmica
(fase) (cm 2 /s)
0,17109 0,0568± 0.0002 0,0017± 0.0001 0,00177± 0.00001
0,14952 0,0602± 0.0002 0,0017±0.0001 0,00170± 0.00001
0,18939 0,0599± 0.0001 0,0021±0.0002 0,00199± 0.00001
0,16384 0,0592± 0.0001 0,0018±0.0001 0,00181± 0.000003
0,14906 0,0594± 0.0001 0,0017±0.0001 0,00166± 0.000004
0,17519 0,0596± 0.0001 0,0020±0.0002 0,00193± 0.000004
0,16117 0,0597± 0.0001 0,0018±0.0001 0,00192± 0.000003
0,1444 0,0600± 0.0001 0,0016±0.0002 0,00163± 0.000003
0,13075 0,0591± 0.0001 0,0014±0.0001 0,00158± 0.000002
0,1412 0,0594± 0.0001 0,0016±0.0001 0,00175± 0.000003
0,17268 0,0594± 0.0001 0,0019±0.0001 0,00195± 0.000002
0,23855 0,0578± 0.0002 0,0025± 0.0001 0,00262± 0.00002
0,23879 0,0583± 0.0002 0,0026±0.0001 0,00268± 0.00002
0,16688 0,0607± 0.0001 0,0019± 0.0001 0,00193± 0.00001
0,18239 0,0605± 0.0002 0,0021± 0.0002 0,00212± 0.00001
0,19011 0,0602± 0.0002 0,0022± 0.0002 0,00218± 0.00001
0,2028 0,0595± 0.0002 0,0023± 0.0003 0,00232± 0.00001
0,18859 0,0598± 0.0002 0,0021± 0.0002 0,00205± 0.00001
0,19328 0,0598± 0.0002 0,0022± 0.0003 0,00209± 0.00001
0,18224 0,0599± 0.0001 0,0021± 0.0001 0,0022± 0.000001
0,19608 0,0589± 0.00002 0,0021± 0.0001 0,00215± 0.000001
0,18634 0,0592± 0.00004 0,0021± 0.0002 0,00204± 0.000002
0,0018± 0.00004
0,0022±0.00004
Difusividad
promedio
(cm 2 /s)
En La figura 3 se muestra el histograma realizado para las medidas de difusividad térmica
tomadas a muestras de café tradicional y orgánico, para estas ultimas se observa una
homogeneidad en la concentración de los datos en el rango de 0.0020 cm 2 /s a 0.0022 cm 2 /s, la

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cual puede asociarse con el nivel de organización de la estructura celular y la composición
química de este tipo de café; a diferencia de estos, los datos obtenidos para muestras de café
tradicional tienen un comportamiento muy heterogéneo, asociado posiblemente con
irregularidades en el espaciado intercelular y la concentración de sustancias anormales
generadas por el uso de abonos químicos, presentada en las microfotografías de la figura 2.
14
12
café orgánico
10
conteo
8
6
4
2
0
0,0018 0,0020 0,0022 0,0024 0,0026 0,0028
difusividad térm ica (cm 2 /s )
Figura No.3 Histograma de los valores obtenidos de difusividad térmica para el café orgánico y radicional
4. Conclusiones
El análisis de la estructura celular del café orgánico y tradicional, corrobora los resultados
obtenidos de las medidas de difusividad térmica realizadas por medio de la técnica FA. La
diferencia encontrada entre el café orgánico y tradicional, puede ser utilizada como herramienta
certificadora y posiblemente en el análisis para el diseño y construcción de procesos óptimos de
tostado teniendo en cuenta la clase de café.
Agradecimientos: Agradecemos al ingeniero Agrónomo Carlos Alberto Zuluaga por su
colaboración en la consecución de las muestras, al laboratorio de Biología de la universidad del
Quindío por la disposición de sus equipos, a COLCIENCIAS y la Universidad del Quindío por
el soporte económico para la realización de estos estudios a través del proyecto 246
Referencias
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