IL CAFFE’
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
Tabella: caratteristiche delle specie C. arabica e C.
canephora
Parametro
Principale varietà
Clima ottimale
Altitudine (m)
Temperatura (°C)
Piovosità (mm/anno)
Cromosomi
Foglia
Fiore (da bianco a
rosa)
Frutto (drupa)
Forma frutto
Maturazione (mesi)
Seme
Caratteristica seme
Caffeina (% su ss)
Arabica
Canephora
Arabica
temperato
600-2200
15-24
1200-2200
44
Piccola, ovale
piccoli
Robusta
Caldo-umido
0-800
18-36
2200-3000
22
Larga
Grandi
Grappoli sull‟asse
Grappoli sull‟asse
della foglia
della foglia
(crimson to rosso o (crimson poi nero)
giallo)
Allungata,
Ellissoidale, striata
elissoidale
quando secco
7-9
9-11
Ovale, piatto,
Da ovale a rotondo
deeply grooved
Taglio centrale a
Taglio centrale
forma di S
lineare
0.9-1.4 (media:
1.8-4.0 (media: 2.2)
1.2)
Tabella: composizione media di caffè verde (% sulla s.s.)
Componente
Caffeina e purine (in
tracce)
Trigonellina
Proteine
aminoacidi
Carboidrati
Acidi alifatici
Acidi clorogenici
Lipidi
Glucosidi
Minerali totali
Potassio
Arabica
0.9-1.2
Robusta
1.6-2.4
1.0-1.2
11.0-13.0
2.0
58.9
1.7
6.5
12.0-18.0
0.2
4.2
1.7
0.65-0.7
11.0-13.0
2.0
60.8
1.6
10.0
9.0-13.0
Tracce
4.4
1.8
DIAGRAMMA DI FLUSSO DELLE FASI PRELIMINARI DI
OTTENIMENTO DEL CAFFE’
Raccolta frutti


Lavorazione “a
umido”

Disidratazione per
esposizione al sole o
in essiccatori

Eliminazione
rivestimento
Lavorazione “a
secco”

Macerazione (+
fermentazione)

Eliminazione
rivestimento


Essiccazione all‟1112% di umidità
TOSTATURA
Operazione unitaria di riscaldamento ad alta temperatura (160240°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)
260-280
5-7
220-240
240-260
200-205
12-20
2-4
12-16
Valutazione del grado di tostatura
- colore
- calo peso
Grado di tostatura
Light
Medium
Dark
Very dark
Calo peso (%)
1-5
5-8
8-12
> 12
IL PROCESSO DI TOSTATURA
Variazioni chimiche e fisiche
3 fasi:
Fase
I
II
III (solo
in
processi
spinti
Variazioni chimiche
 umidità ed aw
Variazioni fisiche Termodinamica
Limitata
Endotermica
contrazione
(riscaldamento
e calore latente
di
evaporazione)
Formazione
Imbrunimento
Endotermica
composti della
Aumento di
Esotermica
reazione di
volume
(per T superiori
imbrunimento non
Diminuzione
a 150-200°C)
enzimatico (Maillard, densità
caramellizzazione):
Creazione
struttura porosa
e fragile
Affioramento
lipidi
Pirolisi e
Ulteriore
Esotermica
carbonizzazione
imbrunimento
sostanze organiche
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
0.15
10-12
0
0.13
2-3
15-18
0
5-8
1.2-1.4
0.11-0.13
3
< 0.1
0.7-0.8
0.16-0.19
3.5
0.5
Composizione chimica di caffè verde e tostato (% s.s.)
Arabica
Componente
Caffeina
Trigonellina
Proteine
Aminoacidi
Saccarosio
Zuccheri riducenti
Altri zuccheri
Polisaccaridi
Acidi alifatici
Ac. chinico
Ac. clorogenico
Lipidi
Prodotti della
condensazione e
caramellizzazione
Composti volatili
Minerali
Robusta
verde
1.2
1.0
9.8
0.5
8.0
0.1
1.0
49.8
1.1
0.4
6.5
16.2
-
tostato
1.3
1.0
7.5
0
0
0.3
No data
38
1.6
0.8
2.5
17
25.4
Verde
2.2
0.7
9.5
0.8
4.0
0.4
2.0
54.4
1.2
0.4
10.0
10.0
-
Tostato
2.4
0.7
7.5
0
0
0.3
No data
42.0
1.6
1.0
3.8
11.0
25.9
tracce
4.2
0.1
4.5
Tracce
4.4
0.1
4.7
Variazione del colore
Evoluzione degli acidi organici
Acido
Formico
Acetico
Piruvico
Lattico
Malico
Citrico
chinico
Concentrazione Effetto della tostatura
(% su s.s.)
Massima conc. in caffè tostati light, minore
0.05-0.1
conc. a maggiore grado di tostatura
Massima conc. in caffè tostati light, minore
0.12-0.4
conc. a maggiore grado di tostatura
Quantità indipendente dal grado di tostatura
0.06
Quantità indipendente dal grado di tostatura
0.11
Massima conc. in caffè tostati light, minore
0.17-0.5
conc. a maggiore grado di tostatura
Massima conc. in caffè tostati light, minore
0.37-0.5
conc. a maggiore grado di tostatura
Aumento con la diminuzione dell’acido
0.6-0.8
clorogenico
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
MACINAZIONE
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.
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
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
CONSERVAZIONE DEL CAFFE’ TOSTATO
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 CO2: dopo tostatura, l‟anidride carbonica
intrappolata nella struttura cellulare viene persa con un calo
peso di circa 1.5-1.7%. 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
 NECESSITA’ DI UN ADEGUATO CONFEZIONAMENTO
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
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
- Atmosfera protettiva (CO2 + N2): 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
- 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
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
ESTRAZIONE DELLA BEVANDA DI CAFFE’
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
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
Legge che descrive questa fase del processo: Legge di Fick
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)
a. Idrolisi
Fase in cui ha luogo l‟idrolisi di alcune sostanze
In particolare: carboidrati solubili, frazioni proteiche (in
componenti solubili a minore PM)
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
85-100% di alcaloidi e di acidi clorogenici
40-100% composti volatili
20% proteine e melanoidine
1-5% composti lipidici

NEL RESIDUO: polisaccaridi e cellulose
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
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
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
c. Caffè percolato: metodo di estrazione a riflusso continuo
Estrattore: contenitore cilindrico sul quale è posizionato
un imbuto con annesso il filtro.
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
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
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
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
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 0.05. Aumenta al diminuire delle
particelle di caffè
Caratteristiche bevanda: schiumosa, torbida, corposa che
contiene disperse particelle fini disperse e goccioline d‟olio.
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: 35-40 ml
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.
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.
Granulometria del caffè macinato:
Ideale: quella che consente di avere l‟erogazione di un
volume di bevanda pari a 20-35 ml in 22-30 secondi.
Quantità mediamente utilizzata: 6.5-7.0 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.
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
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 Cl2 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
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
Caratteristiche del caffè “espresso”
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
CO2 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 CO2 estratta è dispersa nella soluzione
concentrata come fini bolle
- una sospensione di particelle solide
Densità e viscosità: relative al materiale estratto
La viscosità è correlata con la “corposità”
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
Miscela di
Arabica
caffè Robusta
1.0198
1.0219
Viscosità (45°C, mPa·s)
1.70
1.74
Indice di rifrazione (20°C)
1.341
1.339
Indice rifrazione del filtrato
1.339
1.339
46
48
Solidi totali (mg·ml-1)
52.5
58.2
Solidi totali sul filtrato (mg·ml-1)
47.3
55.6
Lipidi totali (mg·ml-1)
2.5
1.0
Lipidi insaponificabili (mg·ml-1)
0.4
0.2
pH
5.2
5.2
Acidi clorogenici (mg·ml-1)
4.3
5.0
Carboidrati solubili (mg·ml-1)
8.0
10.0
Azoto totale (mg·ml-1)
1.8
2.3
Caffeina (mg·ml-1)
2.6
3.8
Ceneri (mg·ml-1)
7.2
7.0
Potassio (mg·ml-1)
3.2
2.9
Densità (20 °C, g·ml-1)
(20°C)
Tensione superficiale (mN·m-1)
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
Metodo di estrazione
Tabella: Concentrazione di caffeina e resa d‟estrazione da differenti
metodi di estrazione (Viani, 1993)
Metodo di
preparazione
Filtrazione
Moka
Napoletana
Estrattore a
pressione
“francese”
Percolazione
Bollitura
espresso
Quantità di
polvere di
caffè (g/l)
50-80
125-160
100-160
40-50
Quantità
di caffeina
(g/l)
0.6-1.1
2.0-2.9
1.35
0.69
Resa di
caffeina (%)
30-60
50-70
250-265
0.4-0.9
0.6-0.9
2.8-4.9
85-95
89
75-85
100
92
98
81
1. SOSTANZE SOLIDE (SOLUBILI E INSOLUBILI)
Cinetica:
La velocità di estrazione delle sostanze solide segue una cinetica
del primo ordine
E‟ influenzata da vari fattori
a. Volume dell’estratto
 > nel corso di un estrazione con moka
 > nelle prime fasi di estrazione
a. tempo e temperatura
Tabella: Valori della quantità di solidi estratti (Nicoli et al., 1990)
Temperatura (°C)
51
82
100
Tempo (min)
1
5
10
30
1
5
10
15
1
30
Solidi totali (g)
1.693
2.026
2.079
2.095
2.120
2.195
2.280
2.388
2,302
2.507
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
Bollitura
Percolazione
Filtrazione
Napoletana
Estrattore a
pressione “francese”
Moka
Solidi insolubili (g/l)
2.04
0.22
0.07
1.71
1.06
Solidi insolubili/solidi
solubili (%)
15.7
2.0
0.5
6.3
7.5
1.10
2.7
Tabella: resa d‟estrazione (Petracco, 2001)
Metodo di
preparazione
Bollitura
Percolazione
Filtrazione
Napoletana
Estrattore a
pressione “francese”
Moka
Espresso
Solidi totali (g/l)
13.0
10.9
13.0
26.9
14.2
Resa di estrazione
(%)
26.9
25.5
30.4
29.6
23.9
41.1
52.5
31.9
24.2
d. rapporto acqua/caffè
all‟aumentare del rapporto acqua/caffè diminuzione solidi
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.
pKa
Concentrazione
protoni
(mol/100 ml)
clorogenico
1
3.40
96-291
Citrico
1
3.14
75-189
2
4.77
3
6.39
Chinico
1
3.4
123-142
Fosforico
1
1.96
65-108
2
7.91
3
12.3
Formico
1
3.75
130-159
Acetico
1
4.73
74-226
Malico
1
3.4
58-76
2
5.05
Glicolico
1
3.83
51-100
Lattico
1
3.89
22
Tabella: concentrazione e caratteristiche chimiche di acidi nella
bevanda di caffè (Clifford, 1989)
Fattori che influenzano il pH della bevanda
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
pH estratto
5,60
5,40
Arabica
Robusta
5,20
5,00
4,80
200
210
220
230
240
250
Temperatura di torrefazione (°C)
260
- tempo di torrefazione
5,9
pH dell'estratto
5,8
5,7
5,6
5,5
5,4
5,3
5,2
5,1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
tempo di toststura (min)
(ridisegnata da Massini et al., 1990)
4. SOSTANZE VOLATILI
 CO2 + 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
- Arabica> Robusta
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
LA CIALDA
Utilizzo: in estrattori predisposti per uso domestico o per collettività
Vantaggi: costanza quantità e facilità d‟uso
Carta da filtro

Materiale accoppiato
plastica/Al + N2

Caffè tostato in grani

Macinatura

Dosatura
7 g monodose
14 g doppia dose

Formatura cialda

Saldatura cialda

imbustamento

Confezionamento in
imballaggio
secondario
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
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
 DIAGRAMMA DI FLUSSO DELLA PRODUZIONE
DI ALCUNE BEVANDE DI CAFFE’ A LIVELLO
INDUSTRIALE
Concentrazione

Pastorizzazione

Concentrato di
caffè
Caffè macinato

Estrazione

Bevanda

Filtrazione o
centrifugazione

Confezionamento*



Pastorizzazione

Confezionamento

“ready-to-drink”
Concentrazione

Disidratazione/
liofilizzazione

Agglomerazione

Confezionamento

Caffè “solubile”
* facoltativa in funzione della tecnologia di pastorizzazione adottata
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 4.8
- formazione di un corpo di fondo
- perdita e modificazione aroma (ossidazioni)
- cambiamento colore
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
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
DIAGRAMMA DI FLUSSO DI DECAFFEINIZZAZIONE CON
SOLVENTE
Solvente+
caffeina

Ciclo di recupero
Chicchi caffè verde

Pre- umidificazione (1618%p/p)

Umidificazione (oltre 40%
p/p)

Estrazione caffeina in
controcorrente con solvente

Eliminazione solvente
(strippaggio in corrente di
vapore)


Caffè decaffeinato

Disidratazione
. 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
Estrazione con CO2 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 CO2 supercritica: brevetto Hag (1977)
Vantaggi:
- eliminazione solventi nocivi:
o CO2 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: 120-180 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
DIAGRAMMA DI FLUSSO DI DECAFFEINIZZAZIONE CON
CO2 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
Estrazione con CO2 liquida
Utilizzo della CO2 in stato liquido operando in condizioni di T e P
inferiori a quelle dello stato supercritico qualora siano sufficienti per
l‟estrazione
T: 20-25°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)
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: 90-120°C
Preliminare umidificazione: 40-60%
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
Normativa nazionale ed internazionale
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, .,..)
E‟ obbligatoria l‟indicazione del tenore minimo di residuo secco
proveniente dal caffè o dalla cicoria in % del peso del prodotto finito.