Publicação: Influência da temperatura e da diferença de escalas na produção de cafés fermentados
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS ORGANICOS
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Orientador
Coorientador
Santos, Líbia Diniz
Resumo
As definições para o controle das variáveis relacionadas ao uso de diferentes escalas no
processo de fermentação de café ainda são pouco estudadas para garantir a qualidade na
produção de cafés especiais. Esse processo está diretamente relacionado ao comportamento da
temperatura no meio fermentativo, que define as condições para reprodutibilidade e
homogeneidade ao longo dos biorreatores, seja em escala piloto ou industrial. A presente
pesquisa buscou avaliar a fermentação induzida de café arábica (cultivar Catiguá MG2) em
estado sólido por 60 horas, em biorreatores com diferentes volumes (200, 1.000 e 14.000 L) e
com diferentes materiais de construção (aço e polietileno de alta densidade), sem presença de
controle da temperatura externa. Para isso, foram determinadas a concentração de alguns
compostos químicos nos frutos (sacarose, glicose, frutose, glicerol, etanol e ácidos cítrico,
málico, succínico, lático, acético e propiônico), as propriedades dos grãos verdes (variação total
de cor, índice de amarelamento, força de ruptura) e a qualidade sensorial do grão torrado para
as amostras fermentadas em cada reator, de modo a verificar a viabilidade do aumento de escala.
Além disso, as técnicas de mapeamento bidimensional e de modelagem empírica (R² ≥ 0,795)
foram utilizadas para avaliar a distribuição da temperatura ao longo do tempo e das posições
horizontal e vertical de cada biorreator, fator importante para determinação da uniformidade no
consumo de açúcares e produção de álcoois e ácidos orgânicos para cada escala. A temperatura
ao longo da fermentação influenciou na cinética de consumo de substratos e produção de
metabólitos. Evidenciou-se a produção indesejável de ácido propiônico, altas concentrações de
ácido acético e maior índice de amarelamento nos reatores que alcançaram temperaturas
superiores a 27°C, nas capacidades de 1.000 e 14.000 L. Nesses cafés, foram observados em
alta frequência relativa os descritores sensoriais azedo e fermentado, de modo que essas
amostras não foram classificadas como cafés especiais. As fermentações nos biorreatores de
escala piloto (200 e 1.000 L) que apresentaram perfis de temperatura semelhantes apresentaram
homogeneidade e repetibilidade para a maioria dos compostos químicos e propriedades físicas
mensurados. Já nas fermentações em escala industrial (14.000 L), foram observados gradientes
de temperatura e de concentração de metabólitos ao longo do biorreator. Os modelos empíricos
obtidos refletiram esses comportamentos, mapeando a distribuição de temperatura e a maioria
dos compostos químicos ao final das fermentações para as escalas em estudo. A partir disso,
foi evidenciado que a fermentação pode contribuir para melhora na qualidade para produção de
cafés especiais, mas há necessidade de uma atenção maior voltada para o controle da faixa de
temperatura operacional, bem como sobre o material utilizado no projeto e construção do
biorreator para o processamento adequado do café como um alimento fermentado, visto que
houve uma maior variação nas respostas avaliadas ao longo das posições em escala industrial
(14.000 L) do que para biorreatores de escala piloto (200 e 1.000 L).
Abstract
The definitions for the control variables related to the use of different scales in the coffee
fermentation process are still poorly studied to ensure quality in the production of specialty
coffees. This process is directly related to the behavior of temperature in the fermentation
medium, which defines the conditions for reproducibility and homogeneity throughout the
bioreactors, whether on a pilot or industrial scale. This research aimed to evaluate the induced
fermentation of Arabica coffee (Catiguá MG2 cultivar) in solid state for 60 hours, in bioreactors
with different volumes (200, 1,000, and 14,000 L) and with different construction materials
(steel and high-density polyethylene), without external temperature control. To this end, the
concentration of some chemical compounds in the fruits (sucrose, glucose, fructose, glycerol,
ethanol, and citric, malic, succinic, lactic, acetic, and propionic acids), the properties of the
green beans (total color variation, yellowing index, breaking strength), and the sensory quality
of the roasted beans for the samples fermented in each reactor were determined, in order to
verify the feasibility of scaling up. In addition, two-dimensional mapping and empirical
modeling techniques (R² ≥ 0.795) were used to evaluate the distribution of temperature over
time and the horizontal and vertical positions of each bioreactor, an important factor for
determining the uniformity of sugar consumption and the production of alcohols and organic
acids for each scale. The temperature throughout fermentation influenced the kinetics of
substrate consumption and metabolite production. Undesirable production of propionic acid,
high concentrations of acetic acid, and a higher yellowing index were observed in reactors that
reached temperatures above 27°C, at capacities of 1,000 and 14,000 L. In these coffees, the
sensory descriptors sour and fermented were observed with high relative frequency, so these
samples were not classified as specialty coffees. Fermentations in pilot-scale bioreactors (200
and 1,000 L) that had similar temperature profiles showed homogeneity and repeatability for
most of the chemical compounds and physical properties measured. In industrial-scale
fermentations (14,000 L), temperature and metabolite concentration gradients were observed
throughout the bioreactor. The empirical models obtained reflected these behaviors, mapping
the temperature distribution and most of the chemical compounds at the end of fermentation for
the scales under study. From this, it was evident that fermentation can contribute to improving
the quality of specialty coffee production, but greater attention need to be paid to controlling
the operating temperature range, as well as the material used in the design and construction of
the bioreactor for the proper processing of coffee as a fermented food, since there was greater
variation in the responses evaluated across industrial-scale positions (14,000 L) than for the
pilot-scale bioreactors (200 and 1,000 L).
Palavras-chave
Café arábica, Arabica coffee, Processamento pós-colheita, Post-harvest processing, Fermentação induzida, Induced fermentation, Cafés especiais, Specialty coffees, Bioprocessos em escala piloto e industrial, Bioprocesses in pilot and industrial scale, Parâmetros de qualidade, Quality parameters, Modelagem matemática, Mathematical modeling
Citação
SOUSA, Arlley de Brito Magalhães. Influência da temperatura e da diferença de escalas na produção de cafés fermentados. 2025. 110 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Alimentos) - Universidade Federal de Uberlândia, Patos de Minas, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.256
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