Επίδραση της θερμικής κατεργασίας στα ποιοτικά χαρακτηριστικά διαφόρων ποικιλιών καφέ

Τσιαφίτσα, Ανθή; Tsiafitsa, Anthi

dc.contributor.author	Τσιαφίτσα, Ανθή	el
dc.contributor.author	Tsiafitsa, Anthi	en
dc.date.accessioned	2016-05-18T09:09:43Z
dc.date.available	2016-05-18T09:09:43Z
dc.date.issued	2016-05-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42523
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.10051
dc.rights	Default License
dc.subject	Κόκκοι καφέ	el
dc.subject	Θερμική κατεργασία	el
dc.subject	Ποιοτικά χαρακτηριστικά	el
dc.subject	Φυσικές ιδιότητες	el
dc.subject	Ισόθερμες ρόφησης	el
dc.subject	Coffee beans	en
dc.subject	Roasting	en
dc.subject	Sensory characteristics	en
dc.subject	Physicochemical changes	en
dc.subject	Sorption isotherms	en
dc.title	Επίδραση της θερμικής κατεργασίας στα ποιοτικά χαρακτηριστικά διαφόρων ποικιλιών καφέ	el
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Η εκπόνηση της παρούσης διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο «Μεταλλουργίας» της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων - Μεταλλουργών, σε συνεργασία με το Εργαστήριο «Σχεδιασμού και Ανάλυσης Διεργασιών» της Σχολής Χημικών Μηχανικών, του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, κατά τη χρονική περίοδο 2014 - 2015, υπό την επίβλεψη της Αναπληρώτριας Καθηγήτριας κ. Νυμφοδώρας Παπασιώπη. Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η μελέτη της επίδρασης της θερμικής κατεργασίας στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των διαφόρων ποικιλιών κόκκων καφέ, καθώς και των παραγομένων μιγμάτων τους.	el
heal.classification	Σχεδιασμός και ανάλυση διεργασιών	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-10-30
heal.abstract	Ο καφές συγκαταλέγεται μεταξύ των περισσότερο καταναλισκόμενων ροφημάτων ανά τον κόσμο και, μάλιστα, παρουσιάζεται ως το δεύτερο ποτό, παγκοσμίως, σε κατανάλωση, μετά το νερό. Παράλληλα, όμως, ο καφές αποτελεί ένα παγκόσμια εμπορεύσιμο αγαθό και κατέχει τη δεύτερη θέση στις διεθνείς αγορές, μετά το πετρέλαιο. Η ποιότητα των προϊόντων του καφέ επηρεάζεται, γενικά, από τις διαδικασίες επεξεργασίας, που λαμβάνουν χώρα τόσο πριν όσο και μετά τη συγκομιδή του. Ωστόσο, μεταξύ των διαδικασιών αυτών, πιο κρίσιμη είναι η θερμική κατεργασία που υφίστανται οι κόκκοι του καφέ, δηλαδή το καβούρδισμα. Πρόκειται για μια πολύπλοκη διαδικασία, η δυσκολία της οποίας έγκειται, αφενός στη δημιουργία και τη διατήρηση των κατάλληλων θερμοκρασιών και, αφετέρου, στη διακοπή της διαδικασίας τη χρονική στιγμή εκείνη που κρίνεται, από τον καφεκόπτη, ως η κατάλληλη, αναφορικά με το επιθυμητό άρωμα και χρώμα των κόκκων του καφέ (επιθυμητός βαθμός καβουρδίσματος). Επομένως, ο χρόνος και η θερμοκρασία αποτελούν τους δύο βασικούς παράγοντες εξάρτησης της θερμικής κατεργασίας του καφέ, καθώς είναι εκείνοι που καθορίζουν τα χαρακτηριστικά του τελικού προϊόντος. Στην πραγματικότητα, η θερμική κατεργασία των κόκκων του καφέ είναι τόσο «Τέχνη» όσο και «Επιστήμη», με την τεχνογνωσία, όμως, να υπερισχύει στο βάθος των προηγούμενων ετών και, μόλις, τις τελευταίες δεκαετίες να εκδηλώνεται επιστημονικό ενδιαφέρον ως προς την κατανόηση των πολυάριθμων φυσικοχημικών μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα στα πλαίσια πραγματοποίησης της διαδικασίας. Σύμφωνα, λοιπόν, με τις πρόσφατες μελέτες, κατά τη διάρκεια της θερμικής κατεργασίας, οι κόκκοι του καφέ εκτίθενται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (160 - 250οC), γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα τη μεταφορά θερμικής ενέργειας από τον καβουρδιστήρα στους κόκκους του καφέ, αλλά και τη μεταφορά της μάζας των υδρατμών και των πτητικών ενώσεων, από τους κόκκους προς το περιβάλλον. Παράλληλα, βέβαια, από χημικής πλευράς, η αντίδραση Maillard και η πυρόλυση αποτελούν τα κύρια φαινόμενα που συντελούνται κατά τη διάρκεια του καβουρδίσματος του καφέ. Σε αυτά οφείλεται η σημαντική αύξηση της χημικής πολυπλοκότητάς των κόκκων του καφέ καθώς και η μετατροπή τους σε ένα σύστημα πολύ ασταθές. Τα παραπάνω φυσικοχημικά φαινόμενα, που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της θερμικής κατεργασίας του καφέ, υποδηλώνονται στις αλλαγές που υφίστανται οι κόκκοι του, σε σχέση, κυρίως, με το βάρος, τον όγκο, την πυκνότητα, την υγρασία, το χρώμα, το άρωμα, την υφή (σώμα) και τη γεύση. Στα πλαίσια της παρούσης διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε η επίδραση της θερμικής κατεργασίας στα ποιοτικά χαρακτηριστικά έξι ποικιλιών κόκκων καφέ (BRAZIL SANTOS, BRAZIL RIO MINAS, MEXICO FINCA MUXBAL, GUATEMALA SHB EP, ETHIOPIA DJIMMAH, INDIA ROBUSTA), διαφορετικών ως προς το είδος (arabica / robusta) και τις χώρες της γεωγραφικής τους προέλευσης. Η θερμική κατεργασία έλαβε χώρα σε συμβατικό οριζόντιο καβουρδιστήρα περιστρεφόμενου τυμπάνου, του οποίου η λειτουργία είναι ασυνεχής (λειτουργία σε παρτίδες). Η διάρκεια της θερμικής κατεργασίας κυμάνθηκε μεταξύ 20 - 27 min, και η θερμοκρασία των καυσαερίων, την κατάλληλη χρονική στιγμή ολοκλήρωσης της διαδικασίας, κυμάνθηκε μεταξύ 250 - 270οC, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της εκάστοτε ποικιλίας κόκκων καφέ και τον επιθυμητό βαθμό καβουρδίσματος. Για κάθε μεμονωμένη ποικιλία κόκκων καφέ που υποβαλλόταν σε θερμική κατεργασία, λαμβανόταν δείγμα κόκκων καφέ ανά 5 min (ξεκινώντας από το χρόνο t = 0 της θερμικής κατεργασίας), μέχρι και τη χρονική στιγμή εκείνη, ακριβώς πριν από την ολοκλήρωση της διαδικασίας του καβουρδίσματος και την απελευθέρωση των κόκκων στο δοχείο ψύξης. Σε γενικές γραμμές, στα πλαίσια της παρούσης διπλωματικής εργασίας, παρατηρήθηκε ότι η θερμική κατεργασία των κόκκων καφέ επηρέασε σημαντικά τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των διαφόρων ποικιλιών καφέ και, κατ΄ επέκταση, των μιγμάτων καφέ, που μελετήθηκαν. Συγκεκριμένα, στα δείγματα που λήφθηκαν κατά τη διάρκεια της θερμικής κατεργασίας μετρήθηκε η μάζα m και ο φαινόμενος όγκος V ενώ, ακόμη, υπολογίστηκε το ποσοστό της % απώλειας της μάζας καθώς και το ποσοστό της % αύξησης του όγκου, που παρατηρήθηκε σε αυτά, συναρτήσει του χρόνου της θερμικής κατεργασίας τους και, κατ’ επέκταση, συναρτήσει της αύξησης της θερμοκρασίας καβουρδίσματος. Ειδικότερα, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η τελική τιμή της μάζας m των καβουρδισμένων κόκκων καφέ είναι σημαντικά μειωμένη, σε σχέση με την αρχική (για t=0), σε ποσοστό απώλειας μάζας της τάξης του 12 - 23%, ενώ η τελική τιμή του όγκου V των καβουρδισμένων κόκκων καφέ είναι σημαντικά αυξημένη, σε σχέση με την αρχική (για t=0), σε ποσοστό αύξησης όγκου της τάξης του 40 - 90%. Επιπλέον, η φαινόμενη πυκνότητα ρ, μειώθηκε συναρτήσει του χρόνου της θερμικής κατεργασίας και, μάλιστα, η τελική της τιμή είναι σημαντικά μειωμένη, σε σχέση με την αρχική (για t=0), σε ποσοστό μείωσης της τάξης του 30 - 50%. Ακόμη, αναφορικά με τις μετρούμενες φυσικές ιδιότητες, σε όλα τα δείγματα κόκκων καφέ προσδιορίστηκε η μεταβολή του χρώματός τους, μέσω της μέτρησης των παραμέτρων του χρώματος L, a, b (σύστημα μέτρησης χρώματος CIELAB), καθώς και μέσω της τιμής της Mεταβολής του Xρώματος (ΔE). Όπως παρατηρήθηκε, το χρώμα των κόκκων του καφέ, που υφίστανται θερμική επεξεργασία, μεταβάλλεται (σκουραίνει) και είναι συνάρτηση του χρόνου θερμικής κατεργασίας αλλά και της θερμοκρασίας. Ειδικότερα, παρατηρήθηκε ότι η τελική τιμή της κρίσιμης παραμέτρου L (παράμετρος φωτεινότητας) μειώθηκε σημαντικά σε όλα τα δείγματα κόκκων καφέ που μελετήθηκαν, από 55,64 – 62,71 (για t=0), σε 26,71 – 9,78 (για tτελ). Αντίθετα η τιμή του ΔΕ, που καταδεικνύει τη συνολική μεταβολή του χρώματος των κόκκων του καφέ, αυξήθηκε, συναρτήσει του χρόνου της θερμικής κατεργασίας. Στη συνέχεια, με βάση τις ποικιλίες κόκκων καφέ που υπέστησαν θερμική κατεργασία, παρασκευάστηκαν τέσσερα διαφορετικά μίγματα (Μίγμα 1, Μίγμα 2, Μίγμα 3 και Μίγμα 4), με τέτοιο τρόπο ώστε τα δύο πρώτα να χρησιμοποιηθούν στην παρασκευή ροφήματος καφέ τύπου ελληνικού, ενώ, τα δύο επόμενα, να χρησιμοποιηθούν στην παρασκευή ροφήματος καφέ τύπου espresso. Τόσο στα δείγματα των καβουρδισμένων κόκκων καφέ των μεμονωμένων ποικιλιών και των μιγμάτων, όσο και σε δύο διαφορετικά δείγματα ωμών κόκκων καφέ (INDIA ROBUSTA, GUATEMALA SHB EP), προσδιορίστηκαν οι ισόθερμες ρόφησης. Η περιεχόμενη υγρασία υπολογίστηκε επί ξηρής βάσης (ξ.β.), συναρτήσει των διαφορετικών τιμών της ενεργότητας ύδατος αw, που κυμάνθηκαν από 0,11 έως 0,94. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα παρατηρήθηκε ότι, σε όλα τα δείγματα των κόκκων καφέ (καβουρδισμένων και ωμών) η περιεχόμενη υγρασία (ξ.β.), αυξήθηκε συναρτήσει της ενεργότητας ύδατος (αw). Μάλιστα, στην υψηλότερη ενεργότητα ύδατος (0,94) η υγρασία ισορροπίας των καβουρδισμένων κόκκων καφέ (μεμονωμένων ποικιλιών και μιγμάτων) κυμάνθηκε σε ποσοστό της τάξης του 17 - 21%, ενώ η υγρασία ισορροπίας των ωμών κόκκων κυμάνθηκε σε ποσοστό της τάξης του 24 - 25%. Ακόμη, το χρησιμοποιούμενο πρότυπο GAB προσαρμόστηκε ικανοποιητικά στα πειραματικά δεδομένα και οι ισόθερμες ρόφησης ακολούθησαν τον τύπο ΙΙΙ, με εξαίρεση την ποικιλία INDIA ROBUSTA και τα δείγματα των ωμών (μη καβουρδισμένων) κόκκων καφέ, που ακολούθησαν τον τύπο ΙΙ. Κατόπιν, με πρώτη ύλη τους καβουρδισμένους κόκκους των μεμονωμένων ποικιλιών και των μιγμάτων, παρασκευάστηκαν τα προϊόντα του καφέ (ροφήματα καφέ τύπου ελληνικού και ροφήματα καφέ τύπου espresso), τα οποία αξιολογήθηκαν ως προς τα οργανοληπτικά τους χαρακτηριστικά. Οι δοκιμαστές αξιολόγησαν τα υλικά με κλίμακα αξιολόγησης 1 - 9 (1- χαμηλό, 9- υψηλό), ως προς την εμφάνιση, την οσμή (άρωμα), τη γεύση, την υφή, τη φρεσκότητα αλλά και τη συνολική βαθμολόγησή τους. Όπως παρατηρήθηκε, η στατιστική ανάλυση διασποράς (ANOVA) έδειξε σημαντικές διαφορές μεταξύ των δειγμάτων (p<0,05), με αποτέλεσμα η επίδραση των πρώτων υλών και των συνθηκών επεξεργασίας αυτών, και, κατ’ επέκταση των μιγμάτων τους, στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των προϊόντων του καφέ, να είναι σημαντική. Στο σύνολο των προϊόντων του καφέ που μελετήθηκαν, η βαθμολογία αξιολόγησής τους κρίθηκε αρκετά υψηλή, άρα και ικανοποιητική, και τα αντίστοιχα προϊόντα τους κρίθηκαν αποδεκτά από τους καταναλωτές, ως προς τα ποιοτικά χαρακτηριστικά τους. Εξαίρεση, αποτέλεσε η ποικιλία ETHIOPIA DJIMMAH που αξιολογήθηκε με τη χαμηλότερη βαθμολογίας (βαθμολογία 4,6), ενώ μεταξύ των υπολοίπων μεμονωμένων ποικιλιών, ιδιαίτερα υψηλή κρίθηκε η βαθμολογία αξιολόγησης της ποικιλίας BRAZIL RIO MINAS. Όσον αφορά στα μίγματα κόκκων καφέ, αυτά αξιολογήθηκαν πολύ θετικά (με εξαίρεση το Μίγμα 4), με αποτέλεσμα να παρατηρείται ότι τα μίγματα κόκκων καφέ αποδίδουν (σε σχέση με τα μονοποικιλιακά ροφήματα καφέ) ένα περισσότερο ισορροπημένο, ευχάριστο και ομοιογενές αποτέλεσμα, αναφορικά με όλα τα απαραίτητα ποιοτικά χαρακτηριστικά (εμφάνιση, άρωμα, γεύση, σώμα, φρεσκότητα) που πρέπει να καλύπτει ένα «γεμάτο» ρόφημα καφέ. Τέλος, με σκοπό τον έλεγχο της διατηρησιμότητας του καφέ (shelf-life), κατά την αποθήκευσή του από τον καταναλωτή (μετά το άνοιγμα της συσκευασίας), δημιουργήθηκαν συνθήκες προσομοίωσης της αποθήκευσης του καφέ στο σπίτι. Καθ’ όλη τη χρονική διάρκεια της αποθήκευσης των προϊόντων του καφέ, λαμβάνονταν ισόποσα δείγματα και από τα τέσσερα μίγματα, με αποτέλεσμα να προκύψουν 5 σειρές δειγμάτων για τα χρονικά διαστήματα των 0, 15, 30, 45 και 60 ημερών, αντίστοιχα. Στα δείγματα αυτά προσδιορίστηκαν οι μεταβολές σε βασικά οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των προϊόντων των μιγμάτων του καφέ. Αναφορικά με την επίδραση του χρόνου αποθήκευσης των διαφορετικών μιγμάτων καφέ, στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των προϊόντων τους, η στατιστική ανάλυση διασποράς (ANOVA) έδειξε άλλοτε σημαντικές διαφορές μεταξύ των δειγμάτων (όταν p<0,05), κι άλλοτε όχι (όταν p>0,05). Συνολικά, ο μέσος όρος διάρκειας ζωής των προϊόντων των μιγμάτων καφέ παρατηρήθηκε, περίπου, ίσος με το χρονικό διάστημα που αντιστοιχεί σε ένα μήνα αποθήκευσης.	el
heal.abstract	Coffee is one of the most consumed beverages in the world and, even, is presented as the second drink, in worldwide consumption, after water. At the same time, coffee is a world-wide trade commodity that ranks second in global markets, after petroleum. Coffee quality is, generally, affected by pre- and post-harvest practices. Among these practices, the most crucial is the thermal treatment of coffee beans, i.e. roasting. Roasting is a complex process, the difficulty of which consists both on creating and maintaining the proper temperatures, and on interrupting the process the appropriate time, as far as the desired flavor and color characteristics of the coffee beans are concerned (desired degree of roasting). As a result, time and temperature are the two main factors of heat treatment of coffee, as they determine the characteristics of the final product. In fact, thermal processing of coffee beans is so "Art" as "Science", however, in recent decades scientific interest was manifested in understanding the numerous physicochemical mechanisms, that occur during the process of coffee roasting. Therefore, according to recent studies, during the heat treatment, coffee beans are exposed to very high temperatures (160 - 250 °C), which result in both transfer of heat energy from the roaster to the coffee beans and transfer of mass of water vapor and volatile compounds, from the coffee bean to the environment. At the same time, the Maillard reaction and the pyrolysis are the main events occurring during coffee roasting. They account for a substantial increase of the chemical complexity of coffee beans and turn them into a very unstable system. These physicochemical phenomena, which take place during coffee roasting, are indicated in the changes suffered by the coffee beans, mainly, as far as weight, volume, density, moisture content, color, flavor, texture (body) and taste, are concerned. As part of this thesis, the effect of heat treatment on quality characteristics of six varieties of coffee beans (BRAZIL SANTOS, BRAZIL RIO MINAS, MEXICO FINCA MUXBAL, GUATEMALA SHB EP, ETHIOPIA DJIMMAH, INDIA ROBUSTA), differing in type (arabica / robusta) and in countries of their geographic origin was studied. The heat treatment was carried out in a conventional, horizontal, rotating - drum, with discontinuous function (batch operation). The duration of the heat treatment ranged between 20 – 27 min, and the temperature of the exhaust gas, at the appropriate time to complete the process, ranged between 250 - 270oC, depending on the characteristics of the variety of coffee beans and the desired degree of roasting. For each individual variety of coffee beans, that was subjected to heat treatment, sample of coffee beans was taken per 5 min (starting at time t = 0), up to that time, just before the completion of the roasting process and the release of coffee beans at the cooling pod. In the context of this thesis, it was observed that the thermal treatment of coffee beans significantly affected the quality characteristics of the different coffee varieties and, therefore, the coffee blends that were studied. Specifically, mass m and apparent volume V was measured in the samples and the rate of % loss of mass and % volume expansion were calculated, as a function of the time of heat treatment. In particular, experimental results showed that the final mass m of the roasted coffee beans was significantly reduced, compared to the initial one (for t = 0), to a mass loss rate of 12 - 23%, while the final volume V of the roasted coffee beans was significantly increased to a bulking rate of 40 - 90%. Based on these measurements, the apparent density , was calculated and found to decrease with time of heat treatment, to a reduction rate in the range of 30 - 50%. Furthermore, the change in color of coffee beans was determined, by measuring the parameters L, a, b (color measuring system CIELAB), and by calculating the value of Colour Change (ΔE). The color of the coffee beans, which were thermally treated, changed (darkened) during processing and was a function of roasting time and temperature. In particular, it was observed that the final value of the critical parameter L (luminance parameter) decreased significantly, from 55.64 to 62.71 (for t = 0), to 26.71 to 9.78 (for ttel) for the different coffee samples studied. Instead, the value of ΔΕ, which indicates the overall change in the color of coffee beans, was increased, as a function of roasting time. Then, based on varieties of coffee beans, four different coffee blends were prepared (Mixture 1, Mixture 2, Mixture 3 and Mixture 4), in a way that both Mixture 1 and Mixture 2 were used in the preparation of “Arabian” coffee type beverage, while Mixture 3 and Mixture 4 were used for the preparation of “Espresso” coffee type beverage. In addition, sorption isotherms were determined both in the individual varieties and in coffee blends, as well as, in two different samples of raw coffee beans (INDIA ROBUSTA, GUATEMALA SHB EP). At higher water activity (0.94) the equilibrium moisture of roasted coffee beans (individual varieties and blends) varied between 17 - 21%, while the equilibrium moisture of raw beans varied between 24-25%. Furthermore, the GAB model was fitted well to the experimental data and the sorption isotherms followed the isotherm type III, except for variety INDIA ROBUSTA and the samples of raw (non-roasted) coffee beans that followed isotherm type II. Then, coffee products (“Arabian” coffee type beverage and “Espresso” coffee type beverage), were prepared from individual varieties and blends, and were evaluated for their sensory characteristics. The panelists evaluated the coffee drinks in a scale from 1 to 9 (1- low, 9- high), as far as appearance, flavor (aroma), taste, texture, freshness and their overall rating are concerned. ANOVA showed, in most cases, significant differences between the samples (p<0,05)The evaluation score was high enough for all the coffee drinks, and, therefore consumers found the products acceptable, as far as their quality characteristics are concerned. The variety ETHIOPIA DJIMMAH was only evaluated with the lowest score (score 4.6) and was considered unacceptable, while the variety BRAZIL RIO MINAS gained the highest score. Coffee blends were highly rated (except for Mixture 4), indicating a more balanced, pleasant and homogeneous result, as far as all the main attributes (appearance, aroma, flavor, body, freshness), which should cover a "full" coffee drink, are concerned. Finally, in order to determine the shelf-life of coffee that is stored by consumers (after unpacking), coffee was stored at conditions simulating the storage at home. Throughout the duration of storage of coffee products, samples were taken, at pre-determined time intervals of 0, 15, 30, 45 and 60 days. The changes in basic sensory characteristics of the products were evaluated. Regarding the effect of storage time of the different coffee blends on the sensory characteristics, ANOVA showed either significant differences between the samples (when p<0,05) or not (when p>0,05). Overall, the average shelf-life of coffee blends was observed approximately equal to the period corresponding to one month of storage.	en
heal.advisorName	Παπασιώπη, Νυμφοδώρα	el
heal.committeeMemberName	Παπασιώπη, Νυμφοδώρα	el
heal.committeeMemberName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.committeeMemberName	Ταξιάρχου, Μαρία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών. Τομέας Μεταλλουργίας και Τεχνολογίας Υλικών. Εργαστήριο Μεταλλουργίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	275 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true