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REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 3. 2006<br />
ESTRUCTURA CELULAR DEL CAFE ORGANICO Y TRADICIONAL Y SU<br />
RELACION CON LA DIFUSIVIDAD TERMICA<br />
L. F. Marín-Ramirez 1 , L. A. Cuel<strong>la</strong>r-Rodriguez 1 , F. Gordillo-Delgado 1,2 .<br />
1 Laboratorio de Optoelectrónica, Universidad <strong>del</strong> Quindío<br />
2 Centro de Investigaciones en Ciencia aplicada y Tecnología Avanzada <strong>del</strong> I.P.N.<br />
(Recibido 09 de Sep.2005; Aceptado 21 de Jun. 2006; Publicado 04 de Oct. 2006)<br />
RESUMEN<br />
A pesar de <strong>la</strong> intensa investigación alrededor de los mecanismos de tostado <strong>del</strong> café, estos no están<br />
totalmente entendidos debido a <strong>la</strong> gran complejidad <strong>del</strong> tema. Aún es necesario combinar y<br />
comparar diferentes re<strong>su</strong>ltados <strong>con</strong>siderando parámetros como: origen <strong>del</strong> fruto, tamaño <strong>del</strong> grano,<br />
masa <strong>del</strong> grano, humedad, color, apariencia, tiempo de tostado, temperatura <strong>del</strong> gas usado en el<br />
proceso de tostado, tipo de tostador, etc. Los datos existentes sobre <strong>la</strong> <strong>con</strong>ductividad térmica <strong>del</strong><br />
café son poco <strong>con</strong>fiables y no se tienen perfiles de temperatura en el interior <strong>del</strong> grano. Tampoco<br />
se comprenden bien los mecanismos de cambio de volumen <strong>del</strong> grano, de <strong>la</strong> resistencia <strong>estructura</strong>l,<br />
ni de <strong>la</strong> e<strong>la</strong>sticidad de <strong>la</strong>s diferentes capas <strong>del</strong> grano en el proceso de tostado.Conocer <strong>la</strong> <strong>estructura</strong><br />
<strong>celu<strong>la</strong>r</strong> <strong>del</strong> grano es de mucha importancia pues <strong>la</strong> solubilidad <strong>del</strong> café tostado y molido se debe al<br />
rompimiento de dicha <strong>estructura</strong>, permitiendo <strong>la</strong> solución libre sin <strong>la</strong> necesidad de difusión de<br />
molécu<strong>la</strong>s y coloides fuera de <strong>la</strong> célu<strong>la</strong>. En el presente trabajo se realiza un estudio de corre<strong>la</strong>ción<br />
entre <strong>la</strong> difusividad térmica, medida usando <strong>la</strong> técnica fotoacústica, y <strong>la</strong> <strong>estructura</strong> <strong>celu<strong>la</strong>r</strong> <strong>del</strong><br />
grano vista a través de un microscopio óptico, para frutos cultivados <strong>con</strong> y sin el uso de químicos.<br />
Los re<strong>su</strong>ltados presentados permitirían un posible método para certificar el café orgánico.<br />
Pa<strong>la</strong>bras c<strong>la</strong>ves: Café, difusividad térmica, fotoacústica<br />
ABSTRACT<br />
Despite of intense searching about coffee roasting mechanisms, these are not being completely<br />
understood due to the <strong>su</strong>bject complex. Still it is necessary to combine and compares different<br />
re<strong>su</strong>lts, <strong>con</strong>sidering parameters as: fruit origin, grain size, grain mass, moisture, color, appearance,<br />
roasting time, used gas temperature in the roasting process, roaster system, etc. The data about<br />
coffee thermal <strong>con</strong>ductivity are few credible and there are not temperatures profiles in the bean<br />
interior. Bean volume change mechanisms, the structural resistance, and bean <strong>la</strong>yer e<strong>la</strong>sticity, are<br />
not being well understood, too. The bean cellu<strong>la</strong>r structure knowledge is very important, because<br />
the ground and roasting coffee solubility is due to breaking of this structure, it allows the free<br />
solution without needing of molecules and colloids diffusion out cell. In this work, was studied the<br />
corre<strong>la</strong>tion between thermal diffusivity, mea<strong>su</strong>red using photoacoustic technique, and the bean<br />
cellu<strong>la</strong>r structure looked through of optical microcopy, for fruits cultivated with and without the<br />
chemicals using. The presented re<strong>su</strong>lts will allow a possible method for certify organic coffee.<br />
Key Words: coffee, thermal diffusivity , photoacoustic<br />
1. Introducción<br />
El cultivo de café orgánico <strong>su</strong>rge actualmente como alternativa para <strong>su</strong>perar <strong>la</strong> crisis <strong>cafe</strong>tera,<br />
sin embargo los costos de producción de este tipo de café son altos debido a <strong>la</strong> falta de<br />
organismos certificadores ava<strong>la</strong>dos internacionalmente. Las propiedades termofísicas influyen<br />
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directamente en el diseño de cualquier proceso térmico ya que están involucradas en <strong>la</strong><br />
transferencia de masa y energía térmica, y tienen una estrecha re<strong>la</strong>ción <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>estructura</strong> <strong>celu<strong>la</strong>r</strong><br />
y química de los materiales. Normalmente se utilizan mo<strong>del</strong>os basados en <strong>la</strong> composición<br />
básica de los materiales (alimentos, proteínas, aceites, agua, etc.) para calcu<strong>la</strong>r indirectamente<br />
estas propiedades [i], una de estas es <strong>la</strong> difusividad térmica, propiedad c<strong>la</strong>ve para el análisis <strong>del</strong><br />
transporte de calor por <strong>con</strong>ducción en los materiales. Se sospecha una diferencia notoria en <strong>la</strong><br />
<strong>estructura</strong> <strong>celu<strong>la</strong>r</strong> y química entre el café orgánico y el <strong>tradicional</strong>, <strong>la</strong>s cuales pueden ser<br />
corroboradas teniendo <strong>con</strong>ocimiento de <strong>la</strong>s propiedades termofísicas correspondientes; además,<br />
el <strong>con</strong>ocimiento de estas es de vital importancia para el diseño y <strong>con</strong>strucción de procesos<br />
óptimos de torrefacción.<br />
Con <strong>la</strong> técnica FA de celda abierta como herramienta no destructiva [ii], es posible estimar de<br />
manera directa <strong>la</strong> difusividad térmica, α, de materiales orgánicos e inorgánicos, ópticamente<br />
opacos o transparentes, en estado sólido, líquido o gaseoso [iii]. Este parámetro de transporte<br />
térmico es único para cada material y por ende está <strong>re<strong>la</strong>cion</strong>ado <strong>con</strong> <strong>su</strong> micro<strong>estructura</strong> y<br />
composición química [iv, v]<br />
En este trabajo se reportan microfotografías y medidas de difusividad térmica <strong>del</strong> café verde<br />
orgánico y tecnificado. Estos re<strong>su</strong>ltados muestran una c<strong>la</strong>ra diferencia que puede ser utilizada<br />
como herramienta para procesos de certificación internacional.<br />
2. Materiales, métodos y experimentación<br />
Las muestras de café orgánico en fruto, de <strong>la</strong> variedad caturra fueron recolectadas de una finca<br />
orgánica certificada <strong>del</strong> departamento <strong>del</strong> Quindío (municipio de Salento) ubicada a 1700 m<br />
sobre el nivel <strong>del</strong> mar, y <strong>la</strong>s de café tecnificado de una finca cercana a esta. Estas muestras<br />
fueron beneficiadas utilizando el método húmedo <strong>con</strong>vencional [4] hasta alcanzar una humedad<br />
de 11 % [5]. Finalmente a los granos de café verde en almendra, seleccionados para medir<br />
difusividad, se les hizo un proceso de a<strong>del</strong>gazamiento hasta alcanzar espesores de capa externa<br />
de aproximadamente 600 µm, <strong>con</strong>servando <strong>la</strong> forma <strong>su</strong>perficial <strong>con</strong>vexa <strong>del</strong> grano.<br />
Para <strong>la</strong>s medidas de difusividad térmica, se utilizó <strong>la</strong> técnica FA <strong>con</strong> una <strong>con</strong>figuración<br />
<strong>con</strong>vencional de celda abierta detal<strong>la</strong>da en trabajos anteriores [vi]. La observación de <strong>la</strong><br />
<strong>estructura</strong> <strong>celu<strong>la</strong>r</strong> a través de microfotografías, requirió cortes horizontales a mano alzada <strong>con</strong><br />
un bisturí a los granos de café en almendra orgánico y <strong>tradicional</strong>, alcanzando espesores<br />
aproximadamente de 100 µm los cuales fueron teñidos <strong>con</strong> lugol <strong>con</strong> el fin de tener una imagen.<br />
Los cortes se observaron <strong>con</strong> un microscopio óptico utilizando aumentos de 100X y 40X,<br />
finalmente estas imágenes fueron analizadas en el programa Motic Images 2000 1.3. Ink para<br />
evaluar<strong>la</strong>s cuantitativa y cualitativamente.<br />
3. Re<strong>su</strong>ltados y discusión<br />
Dos de <strong>la</strong>s cuarenta microfotografías tomadas por medio de un microscopio óptico a diferentes<br />
muestras de granos verdes de café orgánico son mostradas en <strong>la</strong> figura 1; en todas el<strong>la</strong>s se<br />
observaron célu<strong>la</strong>s <strong>con</strong> tejidos y paredes muy bien definidas, <strong>con</strong> espacios inter<strong>celu<strong>la</strong>r</strong>es en<br />
promedio de 3.9±0.1µm y áreas de 25.2± 0.2µm 2 . En el café <strong>tradicional</strong>, por el <strong>con</strong>trario, fueron<br />
observados tejidos <strong>con</strong> célu<strong>la</strong>s de formas irregu<strong>la</strong>res, ausencia de pared <strong>celu<strong>la</strong>r</strong>, cambios<br />
bruscos en los espacios inter<strong>celu<strong>la</strong>r</strong>es, de tal forma que <strong>la</strong>s célu<strong>la</strong>s se encuentran dispersas por<br />
todo el tejido <strong>con</strong> muy poco orden como se muestra en <strong>la</strong> figura 2.<br />
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Figura No.1 Célu<strong>la</strong>s de café orgánico en aumento de 100X<br />
Figura No.2 Célu<strong>la</strong>s de café tecnificado en aumento de 100X<br />
Las diferencias presentadas en <strong>la</strong> <strong>estructura</strong> <strong>celu<strong>la</strong>r</strong> pueden ser <strong>con</strong>firmadas midiendo <strong>la</strong>s<br />
propiedades termofísicas correspondientes para cada tipo de café. En <strong>la</strong> tab<strong>la</strong> 1 se presentan una<br />
serie de medidas de difusividad térmica tomadas para muestras de café orgánico y <strong>tradicional</strong><br />
por medio de <strong>la</strong> técnica FA. El análisis estadístico realizado para estas medidas, <strong>con</strong>siderando<br />
tanto los valores obtenidos <strong>del</strong> criterio de ajuste de <strong>la</strong> amplitud, como <strong>del</strong> criterio de retardo en<br />
<strong>la</strong> fase de <strong>la</strong> señal FA [vii], muestra una diferencia <strong>del</strong> valor promedio de <strong>la</strong> difusividad térmica,<br />
ratificando el análisis antes realizado <strong>con</strong> <strong>la</strong>s microfotografías.<br />
Tab<strong>la</strong> No.1. Valores de difusividad térmica en<strong>con</strong>trada para café orgánico y <strong>tradicional</strong><br />
Muestra<br />
Café <strong>tradicional</strong><br />
Café orgánico<br />
Frecuencia de<br />
Corte<br />
Espesor<br />
(cm)<br />
Difusividad térmica (amplitud)<br />
(cm 2 /s)<br />
1108<br />
Difusividad térmica<br />
(fase) (cm 2 /s)<br />
0,17109 0,0568± 0.0002 0,0017± 0.0001 0,00177± 0.00001<br />
0,14952 0,0602± 0.0002 0,0017±0.0001 0,00170± 0.00001<br />
0,18939 0,0599± 0.0001 0,0021±0.0002 0,00199± 0.00001<br />
0,16384 0,0592± 0.0001 0,0018±0.0001 0,00181± 0.000003<br />
0,14906 0,0594± 0.0001 0,0017±0.0001 0,00166± 0.000004<br />
0,17519 0,0596± 0.0001 0,0020±0.0002 0,00193± 0.000004<br />
0,16117 0,0597± 0.0001 0,0018±0.0001 0,00192± 0.000003<br />
0,1444 0,0600± 0.0001 0,0016±0.0002 0,00163± 0.000003<br />
0,13075 0,0591± 0.0001 0,0014±0.0001 0,00158± 0.000002<br />
0,1412 0,0594± 0.0001 0,0016±0.0001 0,00175± 0.000003<br />
0,17268 0,0594± 0.0001 0,0019±0.0001 0,00195± 0.000002<br />
0,23855 0,0578± 0.0002 0,0025± 0.0001 0,00262± 0.00002<br />
0,23879 0,0583± 0.0002 0,0026±0.0001 0,00268± 0.00002<br />
0,16688 0,0607± 0.0001 0,0019± 0.0001 0,00193± 0.00001<br />
0,18239 0,0605± 0.0002 0,0021± 0.0002 0,00212± 0.00001<br />
0,19011 0,0602± 0.0002 0,0022± 0.0002 0,00218± 0.00001<br />
0,2028 0,0595± 0.0002 0,0023± 0.0003 0,00232± 0.00001<br />
0,18859 0,0598± 0.0002 0,0021± 0.0002 0,00205± 0.00001<br />
0,19328 0,0598± 0.0002 0,0022± 0.0003 0,00209± 0.00001<br />
0,18224 0,0599± 0.0001 0,0021± 0.0001 0,0022± 0.000001<br />
0,19608 0,0589± 0.00002 0,0021± 0.0001 0,00215± 0.000001<br />
0,18634 0,0592± 0.00004 0,0021± 0.0002 0,00204± 0.000002<br />
0,0018± 0.00004<br />
0,0022±0.00004<br />
Difusividad<br />
promedio<br />
(cm 2 /s)<br />
En La figura 3 se muestra el histograma realizado para <strong>la</strong>s medidas de difusividad térmica<br />
tomadas a muestras de café <strong>tradicional</strong> y orgánico, para estas ultimas se observa una<br />
homogeneidad en <strong>la</strong> <strong>con</strong>centración de los datos en el rango de 0.0020 cm 2 /s a 0.0022 cm 2 /s, <strong>la</strong>
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cual puede asociarse <strong>con</strong> el nivel de organización de <strong>la</strong> <strong>estructura</strong> <strong>celu<strong>la</strong>r</strong> y <strong>la</strong> composición<br />
química de este tipo de café; a diferencia de estos, los datos obtenidos para muestras de café<br />
<strong>tradicional</strong> tienen un comportamiento muy heterogéneo, asociado posiblemente <strong>con</strong><br />
irregu<strong>la</strong>ridades en el espaciado inter<strong>celu<strong>la</strong>r</strong> y <strong>la</strong> <strong>con</strong>centración de <strong>su</strong>stancias anormales<br />
generadas por el uso de abonos químicos, presentada en <strong>la</strong>s microfotografías de <strong>la</strong> figura 2.<br />
14<br />
12<br />
café orgánico<br />
10<br />
<strong>con</strong>teo<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0,0018 0,0020 0,0022 0,0024 0,0026 0,0028<br />
difusividad térm ica (cm 2 /s )<br />
Figura No.3 Histograma de los valores obtenidos de difusividad térmica para el café orgánico y radicional<br />
4. Conclusiones<br />
El análisis de <strong>la</strong> <strong>estructura</strong> <strong>celu<strong>la</strong>r</strong> <strong>del</strong> café orgánico y <strong>tradicional</strong>, corrobora los re<strong>su</strong>ltados<br />
obtenidos de <strong>la</strong>s medidas de difusividad térmica realizadas por medio de <strong>la</strong> técnica FA. La<br />
diferencia en<strong>con</strong>trada entre el café orgánico y <strong>tradicional</strong>, puede ser utilizada como herramienta<br />
certificadora y posiblemente en el análisis para el diseño y <strong>con</strong>strucción de procesos óptimos de<br />
tostado teniendo en cuenta <strong>la</strong> c<strong>la</strong>se de café.<br />
Agradecimientos: Agradecemos al ingeniero Agrónomo Carlos Alberto Zuluaga por <strong>su</strong><br />
co<strong>la</strong>boración en <strong>la</strong> <strong>con</strong>secución de <strong>la</strong>s muestras, al <strong>la</strong>boratorio de Biología de <strong>la</strong> universidad <strong>del</strong><br />
Quindío por <strong>la</strong> disposición de <strong>su</strong>s equipos, a COLCIENCIAS y <strong>la</strong> Universidad <strong>del</strong> Quindío por<br />
el soporte e<strong>con</strong>ómico para <strong>la</strong> realización de estos estudios a través <strong>del</strong> proyecto 246<br />
Referencias<br />
[1] Joseph Irudayaraj, Food processing operations Mo<strong>del</strong>ing desing and analysis,New York, 2001<br />
[2] F. Gordillo D, Mendoza J.G. A. Rev. Col. Fis, 33, 2, 164(2001).<br />
[3] H. Vargas, L.C.M. Miranda. In Photoacoustic and Thermal wave phenomena in Semi<strong>con</strong>ductors,<br />
Elsevier, New York, (1987).<br />
[4] S.O. Ferreira, C. Ying, I.N. Bandeira, L.C.M. Miranda, H. Vargas. Phys. Rev. B, 39,11,1967-<br />
7970(1998).<br />
[5] G. Ziegler, D.P.H. Hasselman. J. Mater. Sci, 16, 495(1981).<br />
[6] F. Gordillo-Delgado, L. F. Marín-Ramírez, J.D. Duque-Ocampo, H. Ariza-Calderón. Rev. Col. Fis, 37,<br />
1, 62(2005).<br />
[7] F. Gordillo-Delgado, L. F. Marín-Ramírez, J.A. Herrera-Cuartas, H. Ariza-Calderón. Rev. Col. Fis,.<br />
36, No. 2, 485-489 (2004).<br />
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