REVISIÓN DEL ESTUDIO DE VOLÁTILES EN CAFÉ (Coffea arabica) POR MICROEXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA

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IV. REVISIÓN DEL ESTUDIO DE VOLÁTILES EN CAFÉ (Coffea

arabica) POR MICROEXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA

Andrés F. Peralta1*

1Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ciencias, Dpto. de Química.

Bogotá, Colombia. * [email protected]

RESUMEN

La técnica de microextracción en fase sólida (SPME) es una técnica moderna muy versátil que permite el análisis de un amplio espectro de compuestos volátiles de diferente polaridad. El análisis para determinar la calidad del café así como de compuestos volátiles que presenten compuestos se han llevado a cabo por SPME. En el café se encuentran compuestos, tales como, ácidos, esteres, furanos, cetonas, piridinas y compuestos azufrados, entre otros. Estos compuestos son característicos del aroma de café y pueden marcar la diferencia entre un café de buena y mala calidad.

Palabras clave: Coffea arabica, SPME, componentes volátiles.

I. INTRODUCCIÓN

El café es nativo de Africa (Etiopia). Es un árbol o arbusto del café pertenecen a la familia Rubiaceae. Dependiendo de la especie, este puede alcanzar una altura de 3 a 12 m. Los arbustos del café crecen en climas tropicales a altitudes de 600 a 1200 m sobre el nivel del mar con una temperatura anual promedio de 15 a 25 ºC y con una humedad y sombra moderada. Los frutos maduran de 8 a 12 meses después de que el arbusto haya florecido. Solo tres de las 70 especies de café son cultivadas: Coffea arabica, con el 75% de la producción mundial; C. canephora, cerca del 25% y C. liberica y otras con menos del 1%. Cerca de 80 variedades de las tres especies mencionadas han sido identificadas. Las especies más importantes de C. arabica son typica, bourbon, maragogips y mocca, así como de C. canephora son robusta

(las más común), typica, uganda y quillon (Belitz, H-D, et. al., 2004).

El aroma de café debido a su origininalidad, fuerza y carácter ha motivado durante años a los investigadores al descubrimiento de la identidad de los principales constituyentes (Holscher, W, et al., 1990). Las clases de compuestos volátiles reportadas en el café incluyen ácidos, aldehídos, alcanos, alquenos, ésteres, furanos, cetonas, lactonas, oxasoles, fenoles, piridinas, pirazinas, pirroles y compuestos azufrados (Agresti, P.M et al., 2008).

II. MICROEXTRACCION EN FASE SOLIDA

2.1. Generalidades

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la década de los noventa (1990) y está basada en la extracción mediante una fibra de cuarzo recubierta con fase estacionaria. El proceso consta principalmente de dos pasos: primero ocurre la absorción o adsorción de los compuestos sobre la fase seguido de su desorción en el vaporizador (liner) de un cromatógrafo de gases (GC). Existen dos variantes de esta técnica: inmersión de la fibra en el seno de la muestra (SPME-directa) y del espacio de cabeza (HS-SPME). Esta última es la recomendada para extraer compuestos volátiles. La efectividad en la extracción de los analitos depende de varios parámetros entre ellos el tipo de fibra, volumen de muestra, tiempo y temperatura de extracción, presencia de sales, pH del medio, modo de extracción y desorción de los analitos en la fibra, los cuales es necesario establecer previamente.

2.2. Tipos de fibra

La selección del tipo de fibra sigue particularmente una regla “lo similar disuelve lo similar”. La fibra apolar de polidimetilsiloxano (PDMS) es preferida para la extracción de sustancias apolares como lo son muchos compuestos volátiles del aroma. La fibra de poliacrilato (PA) es una de las más polares por lo tanto es empleada para determinar fenoles y alcoholes. Se han desarrollado fibras que contienen como soporte carbón activado (CAR), esto con el fin de incrementar la capacidad de retención debido principalmente a su potencial de adsorción originado por la distribución de la fase estacionaria y en otras se usa divilbenceno (DVD). Existen también fibras con fase estacionaria combinada como son: PDMS/DVB, CAR/DVB y CW/DVB, que son empleadas para la

extracción de analitos polares y de bajo peso molecular.

2.3. Volumen de muestra

Para aumentar la eficiencia de la extracción se hace necesario reducir el espacio de cabeza, esto se logra maximizando el volumen de muestra contenido en el vial.

2.4. Temperatura y tiempo de extracción

Un incremento de la temperatura causa un aumento en la presión de vapor de los analitos y favorece su extracción, pero a su vez disminuye la constante de distribución y por tanto no favorece la extracción. Es por ello que este parámetro debe ser optimizado si se persigue operar en las mejores condiciones.Un mayor tiempo origina la ocupación de mayor cantidad de sitios activos en la fibra por las moléculas de analito, pero un tiempo prolongado puede causar la desorción.

2.5. Adición de sal

La sobresaturación de la muestra con sales es más efectiva para la extracción de analitos por la fibra debido al salting out que se produce; sin embargo, esto depende del tipo de analito y de la concentración de la sal.

2.6. pH del medio

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En general, las muestras son acidificadas para la extracción de analitos ácidos, y alcalinizadas para la extracción de los básicos.

2.7. Derivatización

En la mayoría de las muestras los analitos están en bajas concentraciones o formando mezclas complejas. La conversión en sustancias derivadas permite su diferenciación del resto de los componentes de la matriz.

2.8. Desorción de los analitos

La desorción térmica en el vaporizador del GC es dependiente de la volatilidad de los analitos, espesor de la fibra, profundidad del inyector, temperatura del inyector y el tiempo de exposición. Por lo general, la temperatura de desorción óptima es aproximadamente igual al punto de ebullición del analito menos volátil, pero debe tenerse en cuenta la temperatura de descomposición de la fase estacionaria de la fibra.

III. AROMA DEL CAFÉ TOSTADO

Se han realizado diversos estudios sobre el aroma del café, dando como resultado hasta la fecha cerca de 1000 compuestos en el flavor del café tostado (Nijssen, L.M. et al., 1996) y 300 en el olor del café verde (Belitz, H-D, et. al., 2004). Diversos estudios sobre el café tostado están enfocados al aroma. Así por ejemplo, se evaluaron comparativamente los defectos del café tostado (inmaduro y sobremaduro, granos negros) y rancidez. Como resultado, 250 compuestos fueron identificados y solamente 5 de ellos fueron encontrados en todos los granos defectuosos. Los granos rancios presentaron una mayor cantidad de

compuestos que en granos sanos, seguido por los granos sobremaduros e inmaduros (Agresti, P.M et al., 2008).

El proceso de tostión en el cual los granos de café son calentados entre 170 y 250 °C por un periodo de tiempo está dividido en tres partes: secado, tostado y enfriado. El café producido por el método tradicional de lavado, con etapas microbiales, tiene mejor calidad de aroma con respecto del producido con métodos ecológicos que emplean menores cantidades de agua. De hecho, la reducción de agua resulta en cafés con más defectos de aroma; el mucílago removido con agua permite obtener cafés con atributos particularmente frutales, florales y caramelo (Gonzalez-Rios, O et al., 2007). El perfil del aroma de café depende del método empleado para tostarlo; el uso de microondas disminuye considerablemente la temperatura final y reduce considerablemente el tiempo, por ende empleando microondas de tipo convectivo se aumentó la cantidad de compuestos volátiles, determinados por HS-SPME, con respecto al tostado convencional (Nebesny, E. et al., 2007). La temperatura final después de la tostión del café es necesario disminuirla, debido a que se puede producir sobretostación y además detiene reacciones exotérmicas que continúan casi 15 s después del proceso de enfriamiento; para disminuir tal efecto existen enfriadores que emplean diferentes cantidades de agua (atomización, inmersión y película), donde la temperatura desciende de 230 a 100 °C en menos de 1 s (Baggenstoss, J; et al., 2007).

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inestables. Se ha reportado un método para determinar dichos compuestos mediante un espacio de cabeza dinámico (HS). Con esta técnica se pudo detectar compuestos minoritarios que son reportados por cromatografía de gases/olfatometría (GC/O) como compuestos impacto en el aroma de café (Akiyama, M., et al., 2008).

Algunos de los estudios recientes sobre los perfiles de volátiles están enfocados en diferenciar C. arabica de C. robusta, donde se comparó el aroma de nueve variedades de café de diferentes regiones por medio de un detector electrónico de aroma (nariz electrónica) y se confrontaron contra los resultados obtenidos por HS-SPME logrando diferenciar por esta última técnica cada uno de los cafés mediante el componente principal de análisis (PCA) (Costa Freitas,

A.M. et al., 2009). La HS-SPME es una

técnica reproducible y efectiva para la caracterización de cafés tanto de diferentes regiones como variedades, acoplado a cromatografía de gases/espectrometría de masas (GC/MS) y PCA donde se han podido diferenciar muestras de C. arabica y C. robusta de 8 partes diferentes del mundo (Zambonin,

C.G et al., 2005). Ambas variedades

presentaron una composición casi similar de pirazinas, con mayor concentración en las muestras de C. arabica (Ryan, D. et al., 2004). También se ha encontrado que el café robusta del mismo origen geográfico y que tiene diferentes grados de tostión presenta características similares de olor, mientras que el arabica de diferentes orígenes geográficos y que tiene el mismo grado de tostión presenta características similares (Akiyama, M. et al., 2005).

El desarrollo del aroma del café en bebida y grano fue objeto de comparación

por la técnicas de agitación magnética con absorción (SBSE) y SPME, las cuales fueron evaluadas a través de la recuperación y la abundancia relativa de 16 componentes de la fracción volátil contenida en el espacio de cabeza (HS), donde se encontró que ambas técnicas son reproducibles además que las barras magnéticas de PDMS mostraron una mejor capacidad de concentración que todas las fibras estudiadas de SPME (Bicchi, C. et al., 2002).

3.1. Aroma en bebidas de café

Igualmente se ha estudiado extensamente el aroma en el HS de café en bebidas, particularmente café

espresso. Recientemente se estudió el

aroma de una bebida in situ mediante SPME, donde se encontró que es un método reproducible y que la composición de los volátiles en el HS de una bebida fresca cambia brevemente después de la preparación. Además se reportaron por primera vez dos nuevos compuestos empleando GC/O, 1-(3,4-dihidro-2H -pirrol-2-il)etanona, 4-(4’-hidroxifenil)-2-butanona (Akiyama, M et al., 2007).Igualmente se estudiaron los cambios en la concentración de volátiles en bebidas de café causados por el proceso de tostión y elaboración de las bebidas. Con la ayuda del PCA para diferenciar las bebidas de acuerdo a su perfil de aroma (Maeztu, L, et al., 2001), fue posible identificar 47 compuestos, entre los que se destacaron las pirazinas, piridinas y pirroles que se encontraron en mayor proporción en un café torrefacto con respecto a los convencionales. Para el caso del café

espresso un mayor número de aldehídos

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los componentes impacto y el flavor en el café espresso a partir de PCA, lo que permitió la separación y caracterización del aroma de 3 muestras de diferentes variedades botánicas (López-Galilea, I et al., 2006).

3.2. Optimización del método

Diferentes parámetros ee han estudiado para la extracción del perfil aromático de bebidas de café, entre los que se encuentran la comparación de diferentes tipos de fibras y tiempos de extracción (Roberts, D.D. et al., 2000). La fibra de PDMS tuvo en general una baja sensibilidad ya que es una fibra de baja polaridad; la fibra de Carboxen/PDMS tuvo mayor sensibilidad hacia moléculas más pequeñas. Sin embargo, con esta fibra se apreció colas en los picos cromatográficos de compuestos altamente polares; mientras que con la fibra de PDMS/DVB se logró la mejor sensibilidad (Roberts, D.D. et al., 2000). No obstante, la fibra de DVB/CAR/PDMS comparada contra PDMS/DVB fue mejor para bebidas de café ya que dos importantes componentes de impacto: 2,3-pentanodiona y 2-furfural, fueron menos extraídos por esta última (Akiyama, M et al., 2007). El estudio de volátiles in situ en el HS para café molido con tres fibras indicó que con PDMS/DVB los porcentajes de recuperación de áreas para compuestos de impacto fueron mayores (Akiyama, M et al., 2007). Sin embargo, se observó que para diferenciar C. arabica de C. robusta por PCA emplean fibras de PDMS (Costa Freitas, A.M. et al., 2009; Zambonin, C.G et al., 2005; Costa Freitas, A.M. et al., 2001). El análisis estático del espacio de cabeza por cromatografía de gases

(HS-GC) requiere una optimización cuidadosa de parámetros instrumentales como tiempo de equilibrio y temperatura. Se ha reportado que a mayor temperatura de equilibrio ocurre una mejor extracción de los compuestos volátiles y no se aprecian diferencias cualitativas. Cuando el tiempo de equilibrio aumenta, la cantidad de compuestos volátiles también aumenta (Sanz, C. et al., 2001).

3.3. Compuestos de impacto en el aroma de café

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mezcla de aceite/agua y el perfil obtenido fue muy similar al de una muestra real de acuerdo a pruebas sensoriales con catadores. Estos experimentos indicaron que el 2-furfuriltiol, 4-vinilguayacol, ciertas alquilpirazinas y furanonas, acetaldehído, propanal, 2-metilpropanal y 3-metilpropanal son componentes de gran impacto en el aroma del café (Czerny, M. et al. 1999).

IV. CONCLUSIONES

La técnica de extracción HS-SPME es una técnica versátil muy rápida, especial para la extracción de analitos facilitando el análisis de muestras en tiempos relativamente cortos. Permite efectuar la extracción de compuestos en matrices sin ningún tratamiento y sin el uso de disolventes, ventaja que favorece metodologías limpias.

La HS-SPME permite separar gran variedad de compuestos de polaridad diferente; por lo tanto es una técnica eficiente para determinar la calidad del aroma de café o de cualquier otro alimentos. Como se enunció anteriormente puede separar una amplia gama de compuestos de composición variada como, ácidos, aldehídos, alcanos, alquenos, ésteres, furanos, cetonas, lactonas, oxasoles, fenoles, piridinas, pirazinas, pirroles y compuestos azufrados, además puede ampliarse esta técnica para análisis de pesticidas en alimentos.

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