Κατεργασία του ελαίου του ελληνικού καφέ και εφαρμογή στην παραγωγή στιγμιαίων προϊόντων καφέ-μελέτη της επίδρασηςτων συνθηκών αποθήκευσης στα αρωματικά και την ποιότητα των προϊόντων

Abstract

Ο ελληνικός καφές αποτελεί ένα παραδοσιακό προϊόν με πλούσια αρωματικά χαρακτηριστικά που οφείλονται κυρίως στο έλαιό του, το οποίο συνιστά το 10% της μάζας των καβουρδισμένων κόκκων. Το έλαιο του καφέ μπορεί να απομονωθεί με τεχνικές εκχύλισης. Ο στιγμιαίος καφές είναι η ξηρή υδατοδιαλυτή βάση του καβουρδισμένου καφέ, και μπορεί να έχει τη μορφή σκόνης ή μικρών κόκκων. Η διεργασία της ξήρανσης όμως, προκαλεί την απώλεια του μεγαλύτερου μέρους των αρωματικών συστατικών. Η απώλεια αυτή μπορεί να εξισσορροπηθεί στο ξηρό προϊόν μέσω εμπλουτισμού του με το έλαιο του καφέ. Το αντικείμενο της συγκεκριμένης εργασίας ήταν αρχικά η απομόνωση του ελαίου του ελληνικού καφέ μέσω ψυχρής εκχύλισης, με εξάνιο ως διαλύτη. Το ακατέργαστο έλαιο κατά την ανάλυσή του στο σύστημα αέριας χρωματογραφίας (purge&trap – GC-MS) παρουσίασε υψηλή περιεκτικότητα σε πυραζίνες και γι’ αυτό εκχυλίστηκε περαιτέρω με μίγμα εξανίου-αιθανόλης σε διαφορετικές αναλογίες (0:1, 1:9, 2:8), προκειμένου να μειωθούν οι πυραζίνες και συνεπώς και η έντονη αίσθηση καμμένου-καβουρδισμένου. Τα τρία διαφορετικά έλαια χρησιμοποιήθηκαν ως πρόσθετα σε δυο ειδών ξηρές βάσεις (βάση IG και βάση ISL). Ως πρόσθετο χρησιμοποιήθηκε επίσης και σκόνη αφριστικού. Οι οργανοληπτικές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν ως προς το μίγμα βάσης-ελαίου-αφριστικού ανέδειξαν τις βέλτιστες αναλογίες πρώτων υλών για τα τελικά στιγμιαία προϊόντα καφέ: 74,41% ξηρή βάση, 18,15% έλαιο κατεργασμένο με μίγμα εξανίου-αιθανόλης σε αναλογία 2:8, και 7,44% σκόνη αφριστικού. Η προσθήκη του ελαίου του ελληνικού καφέ επιφανειακά στον κόκκο της ξηρής βάσης, αυξάνει την ευαισθησία του στιγμιαίου προϊόντος ως προς την υποβάθμιση της γεύσης και του αρώματος. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η μελέτη της διατηρησιμότητας του τελικού προϊόντος. Τα δυο στιγμιαία προϊόντα καφέ (IG και ISL), όπως αυτά προέκυψαν από το πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, συσκευάστηκαν σε τυπικές συσκευασίες ελληνικού καφέ και αποθηκεύτηκαν σε τρεις θερμοκρασίες: 25, 45 και 60 oC. Ως δείγμα αναφοράς χρησιμοποιήθηκε ένα προϊόν ελληνικού καφέ (μίγμα κλασικού ελληνικού και σκόνης αφριστικού) το οποίο συσκευάστηκε και αποθηκεύτηκε μαζί με τα στιγμιαία προϊόντα. Ανά τακτά χρονικά διαστήματα λαμβάνονταν δείγματα για κάθε προϊόν και από κάθε θερμοκρασία. Στη συνέχεια ακολουθούσαν οργανοληπτικές δοκιμές αρεσκείας και αποδεκτότητας. Τα δείγματα εξετάζονταν ως προς την εμφάνιση, το χρώμα, τη γεύση, το άρωμα, τη μετάγευση, την παλαιότητα (μπαγιάτεμα) και την αίσθηση καμμένου-καβουρδισμένου, προκειμένου να εκτιμηθεί ο χρόνος ζωής των προϊόντων. Το δείγμα αναφοράς και το προϊόν IG αναλύθηκαν επίσης ως προς τα αρωματικά τους χαρακτηριστικά μέσω αέριας χρωματογραφίας (GC-MS). Με βάση τα αποτελέσματα από τις οργανοληπτικές δοκιμές ως προς τη συνολική αρέσκεια προέκυψαν οι ρυθμοί υποβάθμισης ποιότητας και στη συνέχεια ο χρόνος ζωής των προϊόντων για κάθε θερμοκρασία. Για τη θερμοκρασία των 25 oC, που αποτελεί την πιο ρεαλιστική θερμοκρασία αποθήκευσης, οι χρόνοι ζωής υπολογίστηκαν στις 123 και 109 ημέρες για τα προϊόντα IG και ISL αντίστοιχα, και στις 215 ημέρες για το προϊόν του κλασικού ελληνικού. Η επίδραση της θερμοκρασίας αποθήκευσης περιγράφηκε από την εξίσωση Arrhenius, μέσω της οποίας υπολογίστηκαν και οι ενέργειες ενεργοποίησης Εα για κάθε προϊόν. Συγκεκριμένα, για τα προϊόντα IG και ISL οι τιμές κυμάνθηκαν μεταξύ 35,2 και 35,5 kJ/mol, ενώ ο κλασικός ελληνικός παρουσίασε τιμή 54,7 kJ/mol. Τα αποτελέσματα των οργανοληπτικών δοκιμών ως προς τα επιμέρους οργανοληπτικά χαρακτηριστικά (παλαιότητα, γεύση, άρωμα) μελετήθηκαν και επεξεργάστηκαν ομοίως, δίνοντας ένα εύρος τιμών για τις Εα 37,2-62,9 kJ/mol για το δείγμα αναφοράς, έναντι 22,1-30,1 kJ/mol και 24,4-29,9 kJ/mol για τα προϊόντα IG και ISL αντίστοιχα. Η διατηρησιμότητα του κλασικού ελληνικού και του προϊόντος IG μελετήθηκε και μέσω της μέτρησης της υποβάθμισης των αρωματικών τους συστατικών μέσω αέριας χρωματογραφίας(GC-MS). Η ανάλυση επικεντρώθηκε σε δυο βασικές κατηγορίες πτητικών, τις πυραζίνες (μέθυλο-, διμέθυλο-) και τα φουρανικά παράγωγα (φουρφουράλη, φουρφουρυλικά αλκοόλη, μέθυλο φουρφουράλη). Σε κάθε περίπτωση η απώλεια αρωματικών ακολούθησε κινητική πρώτης τάξης. Για το προϊόν IG κάθε πτητική ουσία εμφάνισε παρόμοια εξάρτηση από τη μεταβολή της θερμοκρασίας, με τιμές Εα μεταξύ 21,2-30,5 kJ/mol. Στην περίπτωση όμως του κλασικού ελληνικού, υπήρχε ισχυρή εξάρτηση από τη μεταβολή της θερμοκρασίας, με τιμές Εα μεταξύ 66,4-112,9 kJ/mol. Οι παραπάνω συγκρίσεις παραπέμπουν σε διαφορετικούς μηχανισμούς απώλειας των βασικών αρωματικών συστατικών στα δυο είδη καφέ και συνεπώς στη διαφορετικότητα ως προς τη φύση του κλασικού ελληνικού καφέ και του ενισχυμένου στιγμιαίου προϊόντος. Στον κόκκο του ενισχυμένου στιγμιαίου καφέ, οι αρωματικές ουσίες έχουν μια επιφανειακή κατανομή, οπότε και χάνονται ευκολότερα, ενώ στον κλασικό η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ο σημαντικότερος παράγοντας για την αποδέσμευση των ουσιών, οι οποίες είναι εγκλωβισμένες στη μικροδομή του κόκκου. Με χρήση της μεθόδου της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών (PCA) πραγματοποιήθηκε συσχετισμός μεταξύ των οργανοληπτικών ιδιοτήτων και των αρωματικών ουσιών για το δείγμα αναφοράς και για το στιγμιαίο καφέ IG. Και για τα δύο προϊόντα η συσχέτιση οργανοληπτικών και αντικειμενικών δεδομένων ήταν ισχυρή ως προς τη θερμοκρασία αποθήκευσης. Επίσης, το οργανοληπτικό χαρακτηριστικό της παλαιότητας παρουσίασε αρνητική επίδραση με τα υπόλοιπα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Τέλος, οι πτητικές ενώσεις συσχετίστηκαν μεταξύ τους με διαφορετικό τρόπο για κάθε προϊόν. Οι μετρήσεις χρώματος που πραγματοποιήθηκαν για κάθε δείγμα που λαμβανόταν δεν παρουσίασαν σημαντικές διαφορές μεταξύ τους, γεγονός που καταδεικνύει ότι στην περίπτωση των προϊόντων καφέ το χρώμα δεν μπορεί να αποτελέσει δείκτη ποιότητας.

Greek coffee is a traditional product rich in taste and aromatic characteristics mostly due to its oil, which comprises the 10% of the roasted beans’ mass. The coffee oil can be isolated by extraction techniques. Instant coffee is the dried soluble base of roasted coffee, which can be met either as a powder or as small granules. The drying process, though, causes a major loss of the roasted coffee’s aroma constituents. This loss can be balanced by the enrichment of the dried base through the addition of the coffee oil. The objective of this work was primarily the isolation of the Greek coffee oil by solid-liquid extraction, with the use of hexane as a solvent. The crude oil showed a high concentration in pyrazines when analyzed by the purge&trap – GC-MS system and was further extracted with a mixture of hexane-ethanol in different proportions (0:1, 1:9 and 2:8), in order to obtain o lower concentration in pyrazines correlating to a less intense “burnt-roasted” note. The three different oils were used as additives in two types of dried base (base IG and base ISL). A foaming agent was also used as an additive. The results after the conduction of several sensory tests concerning the base-oil-foam mixture, showed the optimal proportions for the final instant coffee product: 74,41% dried base, 18,15% coffee oil extracted with the mixture of the two solvents in proportion 2:8, and 7,44% foaming agent. The addition of the coffee oil on the surface of the coffee granule, makes it more susceptible to taste and aroma deterioration. Therefore, a shelf life study is necessary. The two instant coffee products (IG and ISL) that resulted from the first part of the present study were then packed in typical Greek coffee packages and stored at three different temperatures: 25, 45 and 60 oC. A product of Greek coffee (mixture of Greek coffee and foaming agent) was also packed and stored in order to be used as a reference sample. At regular intervals, samples were taken from each temperature. For each product and each temperature sensory tests of liking and acceptability were conducted. The samples were examined for their appearance, color, taste, aroma, after-taste, sense of staling and sense of burnt, in order to determine the shelf life of each product. The reference sample and the product IG were also analyzed by gas chromatography (GC-MS). Using the results from the sensory tests for the products’ general impression, the quality deterioration rate was estimated for each temperature (25, 45 and 60 oC). Using those rates, the shelf life of each product was determined. The temperature of 25 oC, which is the most realistic condition at which a coffee product is stored, resulted in a shelf life of 123 and 109 days for the instant coffee products (IG and ISL respectively) compared with 215 days for the product of Greek coffee. The Arrhenius equation described satisfactorily the effect of storage temperature. The values of the activation energies (Ea) for each product were calculated. Specifically, the values ranged from 35,2 to 35,5 kJ/mol for the instant coffee products (IG and ISL respectively) and 54,7 kJ/mol for the reference sample. Using the results from the sensory tests for the products’ other sensory characteristics (staling, taste, aroma), the corresponding values of Ea ranged from 37,2 to 62,9 kJ/mol for the reference sample, 22,1 to 30,1 kJ/mol for the instant product IG and 24,4 to 29,9 kJ/mol for the instant product ISL. The shelf life of the reference sample and the instant product IG was also studied through the loss of their volatile compounds by gas chromatography (GC-MS). The analysis was focused on the categories of pyrazines (methyl-, dimethyl-) and furan derivatives (furfural, furfuryl alcohol, methyl furfural). The loss of aromatic compounds in each case followed first-order kinetics. Again the aromatic deterioration rates and the values of the activation energies were estimated for each product. In the case of the product IG, each volatile compound showed a similar dependence on the temperature change, since the Ea values ranged between 21,2 and 30,5 kJ/mol. In the case of the Greek product, however, there was a strong dependence on the temperature change, since the Ea values ranged between 66,4 and 112,9 kJ/mol. Those results reveal the different mechanisms of loss of the basic aromatic compounds between the two products and thus the difference between the nature of the Greek coffee and the enhanced instant product. On the instant product’s granule, the aromatic compounds are distributed on the surface, so their loss is easier, while in the case of the Greek coffee the release of the aromatic compounds is noticed only after an increase of temperature, since the compounds are bound in the granule’s microstructure. A correlation between the organoleptic properties and the volatile compounds has also been made, using the method of principal components analysis (PCA). The results showed a strong correlation between the storage temperature and the sensory and objective data in both products. Furthermore, the property of staling presented a negative correlation with the other organoleptic properties. Finally, the volatiles were correlated in different ways for each product. The color measurements that were carried out for each sample in each temperature did not present significant differences between them. Consequently, when studying coffee products, color cannot be used as a quality indicator.