Espectroscopia de infravermelho para estudo de café conilon fermentado / Infrared spectroscopy for the study of fermented conilon coffee

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.4,p.19248-19259 apr. 2020. ISSN 2525-8761

Espectroscopia de infravermelho para estudo de café conilon fermentado

Infrared spectroscopy for the study of fermented conilon coffee

DOI:10.34117/bjdv6n4-189

Recebimento dos originais:24/03/2020 Aceitação para publicação:14/04/2020

Emanuele Catarina da Silva Oliveira

Doutora em Química pela Universidade Federal do Espírito Santo

Instituição: Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Venda Nova do Imigrante.

Endereço: Rua Elizabeth Minete Perim, s/n° – São Rafael, Venda Nova do Imigrante – ES, Brasil E-mail: [email protected]

Paulo Roberto Filgueiras

Doutor em Ciências pela Universidade Estadual de Campinas Instituição: Universidade Federal do Espírito Santo

Endereço: Avenida Fernando Ferrari, 514 – Goiabeiras, Vitória – ES, Brasil E-mail: [email protected]

Aldemar Polonini Moreli

Doutor em Produção Vegetal pela Universidade Federal do Espírito Santo Instituição: Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Venda Nova do Imigrante.

Alanne Carvalho de Oliveira

Aluna de iniciação científica do curso de Bacharelado em Ciência e Tecnologia de Alimentos no Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Venda Nova do Imigrante.

Instituição: Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Venda Nova do Imigrante.

Lucas Henrique Caser Venturim

Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo Instituição: Fazenda Venturim

Endereço: Rodovia ES 137, Km 178 – Zona Rural, São Domingos do Norte – ES, Brasil E-mail: [email protected]

Lucas Louzada Pereira

Doutor em Engenharia de Produção pela Universidade Federal do Rio Grande Sul Instituição: Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Venda Nova do Imigrante.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.4,p.19248-19259 apr. 2020. ISSN 2525-8761 RESUMO

O café conilon representa quase 20% de toda a produção de café Brasileiro, entretanto, é pouco valorizado em relação ao quesito qualidade sensorial, quando comparado com o café arábica. Destaca-se que os cafés oriundos do gênero Coffea canephora, possuem um perfil sensorial mais denso, menos adocicado, menos ácido e com forte pronunciação do corpo no momento da degustação. Porém, diversos processos estão sendo desenvolvidos e testados para melhoria da qualidade e agregação de valor ao produto, fazendo com que os produtores de café conilon tenham que modificar técnicas e procedimentos operacionais. Assim, neste estudo em questão, os experimentos foram conduzidos na Fazenda Venturim em São Domingos do Norte, Espírito Santo. Para o curso em questão, foram adotados processos com aplicação de culturas de arranque (levedura) para otimizar e modificar as rotas metabólicas e consequentemente a qualidade sensorial. Uma análise exploratória, utilizando o método de análise de componentes principais (PCA), foi aplicada aos espectros de infravermelho médio das 33 amostras de café geradas pelos tratamentos via-úmida com o objetivo de entender a influência desses diferentes processamentos na composição química e qualidade final do café. Resultados preliminares indicam potencial para otimização da qualidade do café conilon através do uso do processamento via-úmida com uso de culturas de arranque.

Palavras-chave: café conilon; fermentação; espectroscopia de infravermelho; quimiometria; PCA. ABSTRACT

Conilon coffee represents almost 20% of all Brazilian coffee production, however, it is underrated in terms of sensory quality when compared to arabica coffee. It is noteworthy that coffees from the genus Coffea canephora, have a denser sensory profile, less sweet, less acid and with strong body pronouncement at the time of tasting. However, several processes are being developed and tested to improve quality and add value to the product, making conilon coffee producers must modify operational techniques and procedures. Thus, in this study in question, the experiments were conducted at Fazenda Venturim in São Domingos do Norte, Espírito Santo State. For the course in question, processes were adopted with the application of starter cultures (yeast) to optimize and modify the metabolic routes and consequently the sensory quality. An exploratory analysis, using the principal component analysis method (PCA), was applied to the medium infrared spectra of the 33 coffee samples generated by wet treatments in order to understand the influence of these different processes on the chemical composition and final quality. of coffee. Preliminary results indicate the potential for optimizing the quality of conilon coffee using wet processing using starter cultures.

Keywords: conilon coffee; fermentation; infrared spectroscopy; chemometry; PCA.

1 INTRODUÇÃO

Dados do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos mostram que o mundo consome aproximadamente 9 milhões de toneladas de café por ano. O café constitui um produto importante para as economias brasileira e mundial, sendo o Brasil o maior produtor e exportador de café do mundo, possui em sua composição produtiva duas espécies com importância econômica, a Coffea arabica (café arábica) e a Coffea canephora (conilon), sendo o café arábica responsável

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por 81% da área cultivada no país e o conilon com 19% (CONAB, 2018). O café conilon tem características sensoriais que normalmente apresentam neutralidade quanto à doçura e acidez, possui aroma marcante de cereais torrados e se destaca pelo corpo mais pronunciado que o café arábica. Portanto é utilizado como matéria prima na indústria de solubilização e como componente na formulação de blends com o café arábica (Ribeiro et al., 2014).

Há um grande avanço na tecnologia empregada nas lavouras de café e novos métodos têm sido usados na melhoria da qualidade do grão, principalmente na pós-colheita. O processamento via úmida, que consiste na retirada de toda ou parte da polpa/mucilagem do café mecanicamente ou através de fermentação, tem sido utilizado para aumentar a curva de aromas especiais e sabores, e quando torrado, este café agrega valor e consistência da qualidade (Cenicafé, 2015; Lin, 2010). A qualidade final do café que é ofertado ao consumidor é determinada pela análise sensorial ou popularmente conhecida como prova de xícaras, por meio de degustadores, usando opinião pessoal e experiência de degustação acumulada ao longo dos anos (Feria-Morales, 2002; DiDonfrancesco et al., 2014). Tal procedimento de avaliação da qualidade do café apresenta-se como um método inevitavelmente subjetivo, o qual pode não levar em consideração as diferenças em suas constituições químicas. Os inúmeros constituintes químicos, voláteis ou não, presentes no café são responsáveis por lhe conferir saber e aroma característicos, sendo que esses constituintes variam tanto qualitativamente como quantitativamente quando comparados cafés de diferentes qualidades (Carrera et al., 1998). Para Ribeiro et al. (2014), a qualidade final do café está relacionada com os constituintes químicos dos grãos torrados, em razão da ampla interação química que ocorre durante os estágios de torrefação. Destes constituintes pode-se citar ácidos, açúcares, proteínas, aminoácidos, lipídeos, compostos fenólicos, e algumas enzimas cuja presença, teores e atividades conferem ao café um sabor e aroma peculiares, dentre outros. Com isso, vários estudos têm sido realizados na tentativa de correlacionar a composição química do grão com a qualidade final do produto.

Assim, os grãos de café (casca, polpa e semente) servem de substrato para o desenvolvimento de bactérias, leveduras e fungos filamentosos, suprindo-os de fontes de carbono e nitrogênio, por apresentarem celulose, hemicelulose, pectinas, açúcares redutores, sacarose, amido, óleos, proteínas, ácidos e cafeína.

Existem vários trabalhos que relatam a preocupação por parte dos pesquisadores em auxiliar o atual método de avaliação, correlacionando a perspectiva sensorial com a perspectiva química, reduzindo sua subjetividade, e fornecendo métodos analíticos baseados na constituição química dos cafés. Várias técnicas analíticas têm sido utilizadas com sucesso na investigação dos

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constituintes químicos do café, tais como cromatografia líquida de alta resolução, espectroscopia nas regiões do infravermelho, cromatografia gasosa, cromatografia gasosa de alta resolução acoplada à espectrometria de massas e ressonância magnética nuclear, porém a espectroscopia no infravermelho comparada a outras técnicas, apresenta a vantagem de ser um método de análise simples, rápido, barato e não degradativo, além de fornecer em um espectro muitas informações (Tavares & Ferreira, 2006).

A espectroscopia na região do infravermelho é uma metodologia difundida para análises qualitativas e quantitativas de produtos da indústria de alimentos em geral. Vários estudos também foram realizados sobre a aplicação dela em análises de café (Ribeiro et al., 2011). Os espectros de infravermelho do café contêm inúmeras bandas de absorção refletindo sua grande complexidade química. Porém a essa espectroscopia, assim como outras modernas, é capaz de gerar uma quantidade considerável de dados, para uma única amostra. Assim para que a informação útil seja obtida desse grande volume de dados é necessário recorrer a técnicas matemáticas adequadas, sendo a quimiometria um dos campos da química que fornece tais ferramentas (Santos, 2005). Portanto, para explorar mais informações desses dados, métodos de análise multivariada têm sido aplicados a fim de extrair a maior quantidade de informações possível. Este trabalho utiliza a Análise de Componentes Principais (PCA) a fim de entender a influência dos processamentos por via úmida na composição química e qualidade final do café.

A análise por componentes principais e uma técnica de reconhecimento de padrão não-supervisionado, pois se trata de um método de agrupamento de amostras a partir das similaridades que estas possuem, a PCA consiste numa manipulação da matriz de dados, com objetivo de representar as variações presentes em muitas variáveis, através de um número menor de “fatores”. Constrói-se um novo sistema de eixos (denominados componentes principais ou autovetores) para representar as amostras, no qual a natureza multivariada dos dados pode ser visualizada em poucas dimensões. Na PCA, cada amostra passa a ser descrita pela sua projeção no novo sistema de eixos (score) e a importância de cada variável na componente principal (loadings) (Brereton, 2003). A análise de componentes principais também e largamente utilizada como método de análise exploratória de dados. Neste estudo a análise exploratória, por meio da PCA, foi utilizada para determinar possíveis relações entre propriedades sensoriais e os constituintes químicos do café, correlacionando aa variáveis instrumentais dos espectros de infravermelho com a composição química após diferentes formas de processamento às quais os cafés foram submetidos (Santos, 2005).

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.4,p.19248-19259 apr. 2020. ISSN 2525-8761 2 MATERIAL E MÉTODOS

2.1 PREPARO DAS AMOSTRAS: PROCESSAMENTO POR VIA-ÚMIDA

As amostras de café do gênero Coffea Canephora PIERRE, da variedade conilon Vitória foram selecionadas, localizado na Fazenda Venturim, norte do Estado do Espírito Santo. Os experimentos foram conduzidos no delineamento em blocos casualizados com cinco repetições, no esquema fatorial 3 x 4, sendo três tempos de fermentação e quatro processamentos via-úmida.

Os quatro métodos tiveram os seguintes processos:

- Washed: café cereja descascado – imerso em fermentação com água;

- Yeast fermetation: café cereja descascado – imerso em fermentação com água e levedura –

Saccharomyces cerevisiae, na proporção de 1% (parte por volume);

- Fully Washed without yeast: café cereja descascado – imerso em fermentação sem água; - Fully Washed with yeast: café cereja descascado – imerso em fermentação a seco com levedura – Saccharomyces cerevisiae, na proporção de 1% (parte por volume).

Nos quatro métodos propostos, um mosto foi preparado com cultura de levedura (Saccharomyces cerevisiae ) e casca de café. Para a realização dos experimentos, os mostos 1 e 2 receberam adição de água ao processamento na temperatura de 38 ºC, com adaptação aos métodos de Pereira et al. (2015) e permaneceram imersos em tanques de fermentação, por 24, 48 e 72 horas. O mosto 3 e 4 receberam apenas casca, oriunda do processamento via-úmida e ficaram em processo de fermentação por 24, 48 e 72 horas. Sendo o mosto 3 sem adição de microrganismos externos. Após o período de fermentação, os mostos 1, 2, 3 e 4 foram lavados e levados para a secagem em terreiro suspenso e coberto.

2.2 ANÁLISE DE INFRAVERMELHO

Os espectros de infravermelho na região do médio das amostras de café torrado e moído foram obtidos em um espectrômetro modelo Cary 630 FTIR do fabricante Agilent Technologies, num acessório ATR (Reflexão Total Atenuada do inglês, attenuated total reflectance) de diamante com ângulo de reflexão de 45°, 1 mm de diâmetro, 200 m de área ativa e aproximadamente 2 m de profundidade de penetração na amostra, utilizando um detector de reflectância de Seleneto de Zinco (ZnSe). O espectro registrado foi obtido como a média de 256 varreduras consecutivas, com resolução de 1 cm-1 na faixa de trabalho de 4000 a 630 cm-1. Neste trabalho, os espectros de três diferentes alíquotas de cada amostra foram registrados, totalizando 33 amostras.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.4,p.19248-19259 apr. 2020. ISSN 2525-8761 2.3 TRATAMENTO QUIMIOMÉTRICO DOS DADOS

Os espectros originais foram organizados em uma matriz, onde cada réplica foi considerada como uma amostra. Todos os cálculos foram executados no software Matlab versão R2013a e Microsoft Excel versão 2016. Anteriormente à aplicação das ferramentas quimiométricas ao conjunto de dados, foram aplicados como recursos de tratamento dos dados a correção do espelhamento multiplicativo (MSC – multiplicative scatter correction).

Os dados foram centrados na média e posteriormente submetidos a análise exploratória or meio da técnica multivariada de análise de componentes principais (PCA).

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os espectros originais das amostras de café foram organizados em um formato de matriz

X(33x3596). Os espectros originais (A) e pré-tratados (B) são representados na Figura 1.

Figura 1: Espectros no infravermelho originais (A) e pré-tratados (B) das amostras de café submetidas aos quatro tratamentos nos três tempos de fermentação testados.

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A escolha da região espectral utilizada na construção dos modelos foi baseada nas regiões de maior variância após a análise dos dados originais, a qual corresponde ao intervalo de 4000 a 2750 cm-1 que segundo Lopes (2004) corresponde a estiramentos O—H presentes em álcoois e ácidos carboxílicos, N—H de aminas e amidas, além de estiramentos C—H presentes em grupos hidrocarbonetos. Essa variância se deve às diferentes composições obtidas para as amostras após os quatro tratamentos aplicados nos três tempos.

O método PCA foi aplicado, gerando uma distribuição das amostras, baseando-se nos quatro tratamentos testados (indicados por marcadores diferentes) e nos três tempos de fermentação (indicados pelo tamanho dos marcadores para cada tratamento). O gráfico de scores nas duas primeiras componentes principais pode ser observado na Figura 2.

Figura 2: Gráfico de scores nas duas primeiras components principais para os quatro tratamentos testados: washed (●), Yeast fermentation (▲), Fully Washed without yeast (♦) e Fully Washed with yeast (■), nos três tempos, indicados pelo tamanho dos marcadores.

A primeira componente principal detém 76,79% da variância explicada enquanto a segunda componente principal explica 15,12% dela, logo tem-se mais 90% da informação contida nas duas primeiras componentes principais, ou seja, ambas são responsáveis pela separação das amostras. Porém, a variância explicada não é suficiente para afirmar a capacidade de discriminação. Observando o Gráfico de scores (Figura 2), percebe-se que não há uma tendência clara em relação aos tratamentos ou aos tempos de fermentação aplicados, entretanto é possível fazer algumas considerações importantes.

É interessante destacar que como a separação se dá de maneira muito acentuada ao longo da segunda componente, sendo possível observar que o tratamento Washed está mais concentrado no centro do gráfico, constituindo no agrupamento tanto com o tratamento Yeast fermentation

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como Fully washed with yeast, ambos processos possuem a presença de leveduras, tanto na forma natural (endofíticos), quanto na forma de indução (Yeast Fermentation). Sabe-se que a composição química do café processado por via-úmida e a seco pode diferir significativamente, para aminoácidos livres, ácidos orgânicos e carboidratos não estruturais (Joët et al. 2010), indicando que as fermentações podem ser um dos determinantes da qualidade.

Esses três tratamentos citados têm condições favoráveis para fermentação, seja ela pela adição de leveduras ou pela adição de água, o que favorece a fermentação natural (realizada pelos microrganismos naturalmente presentes no café). Outra observação interessante é o fato do tratamento Fully washed without yeast não se agrupar com nenhum dos demais, o que se explica pela ausência da água no sistema dificultando a fermentação proveniente dos microrganismos naturais do café.

Esses processos catabólicos de oxidação de substâncias orgânicas, principalmente os açúcares, que são transformados em energia e em compostos mais simples, como o etanol, o ácido acético, ácido lático e ácido butírico, são causados por bactérias e leveduras, sendo o resultado final da fermentação dependente do conjunto de bactérias e leveduras presentes durante estas fases de processamento (Quintero 2010).

Isso sugere que os processos metabólicos gerados durante a fase de fermentação espontânea exerceram um efeito significativo sobre a produção de alguns compostos que conferem maior carga de acidez ao café.

Além disso, esse último tratamento se tem suas amostras separadas em dois grupos ao longo da segunda componente principal, sendo um no sentido positivo dela, caracterizado em sua maioria pelas amostras com tempos de 48 h e 72 h de fermentação, e algumas no sentido negativo da componente formado por amostras nos três tempos testados. Mesmo que haja um grau de sobreposição entre as amostras, uma vez que todos os processamentos testados levam a fermentação, essa discussão é possível e válida.

A separação observada no gráfico dos scores (Figura 2) pode ser melhor entendida quando se leva em consideração a composição química dos cafés estudados. Sabendo-se que a distribuição das amostras se deu melhor na segunda componente principal, é possível determinar as variáveis de maior peso nessa separação. A Figura 3 mostra o gráfico dos pesos (loadings) de cada variável original na segunda componente principal.

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Figura 3: Gráfico de loadings das variáveis originais na segunda componente principal.

Conforme a Figura 2, as amostras submetidas ao tratamento Fully washed without yeast possui valores mais altos na segunda componente principal, sendo parte delas no sentido positivo e parte no sentido negativo do eixo. Observando-se o Gráfico de loadings (Figura 3), é possível identificar as regiões espectrais de absorção que apresentam esses valores mais altos para a segunda componente, e, portanto, responsável pela separação das amostras.

De acordo com a literatura a região de 3000 a 2840 cm-1 mostra absorções referentes aos estiramentos simétricos e assimétricos da ligação C—H de grupos alquílicos, região de 3200 a 2500 cm-1 mostra absorções de estiramentos O—H presentes em ácidos carboxílicos, a região de 3650 a 3100 cm-1 mostra bandas referentes a estiramentos O—H de álcoois, os quais podem estar presentes em açúcares do café (Silverstein, 2005; Pavia, 2001; Lopes, 2004).

Em geral, os microrganismos primeiro consomem substratos facilmente metabolizáveis, como os monossacarídeos também chamados de açucares simples, antes de hidrolisar polissacarídeos. Devido ao alto teor de açúcares da mucilagem, as bactérias consomem-se preferencialmente antes de usar os produtos de decomposição da pectina (Avallone et al. 2001).

Após a fermentação, as concentrações de frutose, glicose, sacarose e cafeína nos endospermas diminuem significativamente. O tempo prolongado de fermentação resulta em uma queda da concentração de sacarose e aumento das concentrações de ácido acético, etanol, glicerol, ácido glicurônico, ácido lático, manitol e ácido succínico (De Bruyn et al. 2017).

Confirmando assim que os ácidos clorogênicos (ácidos carboxílicos presentes no café) e açúcares podem ser produtos da degradação causada por microrganismos durante o processo fermentativo, podemos afirmar que os processamentos testados criam rotas metabólicas,

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.4,p.19248-19259 apr. 2020. ISSN 2525-8761 comprovando a eficiência dos mesmos.

4 CONCLUSÕES

A técnica de espectroscopia no infravermelho associada análise multivariada mostrou-se eficiente na identificação de alterações químicas causadas pelos tratamentos fermentativos testados.

Os resultados da análise exploratória mostraram uma sutil distribuição das amostras, capaz de demonstrar alterações na composição química dos cafés após os tratamentos utilizados, destacando-se o tratamento Fully washed without yeast. Este tratamento se mostrou diferente dos demais, uma vez que corresponde a um processamento com menor incidência de fermentação por não possuir adição de levedura ou adição de água que poderia favorecer a fermentação por microrganismos naturais do café.

Os grupos químicos identificados responsáveis pela distinção entre os tratamentos testados foram principalmente hidroxilas de álcoois (presentes em açúcares do café) e de ácidos carboxílicos.

O presente trabalho demonstra a importância de estudar esses processos fermentativos para que o produtor seja capaz de define quais estratégias viáveis e eficientes adotar para produzir um café de melhor qualidade.

AGRADECIMENTOS

Ao Instituto Federal do Espírito Santo, Laboratório de Análise e Pesquisa em Café do Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Venda Nova do Imigrante. A Universidade Federal do Espírito Santo, Laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento de Metodologias para Análise de Petróleos da Universidade Federal do Espírito Santo. A Fazenda Venturim pelo fornecimento da matéria prima para os experimentos, além dos recursos aportados em bolsas de iniciação científica.

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