Freeze concentration of cofee extract : study of block and fallling-film techniques = Crioconcentración de extracto acuoso de café : estudio de las técnicas de bloque total y película descendente

Abstract

Coffee is the most traded food in the world. The coffee industry has a great economic and social relevance worldwide. The sensory and functional properties of the product are highly important for the consumers, and therefore, technologies that promote quality preservation are highly valued in coffee processing. In the production of freezedried coffee, freeze concentration is used to remove water from the extract. Water removal in freeze concentration is achieved by cooling the solution until ice crystals form and separate. Freeze concentration is a technology known for its ability to preserve the quality of the product thanks to low processing temperatures. Three techniques are used according to ice crystal growth: suspension, film (progressive or falling-film) and block (total or partial). Suspension freeze concentration is the most implemented technique at the industrial level. This is an efficient technique in terms of ice purity and increased concentration; however, it requires complex systems for ice separation and many moving parts, which increases the initial and operating costs. For this reason, other freeze concentration techniques have been studied. Different techniques, such as falling-film freeze concentration, and block freeze concentration are being developed seeking to reduce operational costs. In the present work, block and falling-film freeze concentration techniques used to concentrate aqueous coffee extract were studied. Equipment to study those techniques was designed and implemented. The effect of the operational variables of block and falling-film freeze concentration on separation efficiency was established. Preservation of bioactive compounds, volatile compounds, antioxidant activity, and sensory quality of the coffee extract when using freeze concentration was demonstrated. Finally, an operational strategy was proposed to integrate the studied techniques. Separation efficiency obtained with this process was comparable to industrial standards. The project was developed as a doctoral thesis under joint supervision by the Ph.D. in Biosciences of the University of La Sabana in Bogotá, Colombia and the Agribusiness Technology and Biotechnology Doctorate of the Technical University of Catalonia in Barcelona, Spain. Five papers were published as a result of the present work

El café es el alimento más comercializado en el mundo y por esto es alta su importancia económica y social. En la industria del café, la calidad sensorial y funcional de la bebida es un parámetro de alta importancia, por lo cual se promueve el uso de tecnologías de proceso que permitan su preservación. En el proceso de obtención de café soluble liofilizado se utiliza la crioconcentración como una etapa para la eliminación parcial del agua del extracto. La crioconcentración es una tecnología para la eliminación de agua de soluciones mediante su enfriamiento hasta la formación y separación de cristales de hielo. Es una técnica que puede preservar la calidad del producto debido a las bajas temperaturas que maneja. Existen tres técnicas de crioconcentración: suspensión, película y bloque. La única técnica disponible comercialmente a nivel mundial es la crioconcentración en suspensión. Esta es una técnica que logra altas eficiencias de separación pero los equipos requieren gran número de partes móviles por lo cual es relativamente costosa. Debido a esto se busca el desarrollo de técnicas más simples que a la vez consigan una alta eficiencia en la separación. La crioconcentración en película descendente y en bloque son nuevas técnicas que se han propuesto como alternativas más simples que pueden reducir costos operacionales. En el presente proyecto se estudió la crioconcentración en bloque total y en película descendente para la obtención de extractos concentrados de café. Se realizó el diseñó de una unidad de estudios para la crioconentración. Igualmente, se estableció el efecto de las variables operativas de la crioconcentración en bloque y en película sobre la eficiencia de la separación y se demostró la preservación de los componentes bioactivos, la preservación de los componentes volátiles y de la calidad sensorial del extracto de café. Se obtuvieron modelos matemáticos para la predicción del coeficiente de distribución en el hielo que permite predecir el comportamiento de la crioconcentración. Finalmente, se propuso una estrategia operativa para integración de las técnicas estudiadas que permite obtener eficiencias de separación acordes con los estándares industriales. El proyecto se desarrolló bajo la modalidad de Cotutela de Tesis Doctoral en forma conjunta entre el Doctorado en Biociencias de la Universidad de La Sabana en Bogotá, Colombia y el Doctorado en Tecnología Agroalimentaria y Biotecnología de la Universidad Politécnica de Cataluña en Barcelona, España. Como resultado del proyecto se publicaron cinco artículos en revistas indexadas.

El cafè és l'aliment més comercialitzat del món i té una gran importància econòmica i social. En la indústria del cafè, la qualitat sensorial i funcional de la beguda és un paràmetre important la qual cosa incentiva l'ús de tecnologies de procés que permetin mantenir-ne la qualitat. Durant el procés d'obtenció de cafè liofilitzat s'utilitza la crioconcentració com etapa prèvia d'eliminació de part de l'aigua continguda en la solució. La crioconcentració és una tecnologia que permet l'eliminació d'aigua d'una solució a través del seu refredament fins a la formació i la separació dels cristalls de gel. Es tracta d'una tècnica que pot preservar la qualitat del producte a causa de les baixes temperatures utilitzades. Hi ha tres tècniques de crioconcentració: suspensió, pel·lícula i bloc. La única tècnica disponible comercialment arreu del món és la crioconcentració en suspensió. Aquesta és una tècnica que aconsegueix una gran eficiència en la separació, però és relativament cara per la qual cosa es busca el desenvolupament de tècniques més senzilles que al mateix temps aconsegueixin una alta eficiència de separació. La crioconcentració de pel·lícula descendent i en bloc es mostren com a alternatives. En aquest projecte hem estudiat la crioconcentració en bloc total i en pel·lícula descendent per a la producció d'extractes concentrats de cafè. S'ha dissenyat una unitat d'estudi per a la crioconcentracio. També s'ha establert l'efecte de les variables operatives de la crioconcentració en bloc i pel·lícula sobre l'eficàcia de la separació i s'ha demostrat la preservació de compostos bioactius, la preservació dels components volàtils i de la qualitat sensorial de l'extracte de cafè. S’han obtingut models matemàtics per a la predicció del coeficient de distribució en el gel que li permeten predir el comportament de la crioconcentració. Finalment, es proposa una estratègia operativa per a la integració de les tècniques estudiades permetent obtenir eficiències de separació coherents amb estàndards de la indústria. El projecte s’ha desenvolupat en forma de tesi cotutelada conjuntament entre el doctorat en Biociències de la Universidad de La Sabana de Bogotà, Colòmbia i el doctorat en Tecnologia dels aliments i Biotecnologia de la Universitat Politècnica de Catalunya a Barcelona, Espanya. Arran del projecte hi ha cinc articles publicats en revistes indexades.