Vías de descomposición térmica del ácido clorogénico (CGA) en granos de café verde y la tasa de generación de ácido quínico/cafeico durante el tueste

1. Ecuaciones rectoras de la transferencia de calor y balance energético en el proceso de tueste

El tueste de café es un proceso termodinámico altamente complejo, donde los cambios fisicoquímicos dentro de los granos de café verde están determinados por la eficiencia de la transferencia de energía dentro del tambor. El calor total absorbido por los granos durante el tueste se define como la suma de conducción, convección y radiación. La ecuación de balance energético que determina la tasa de aumento de temperatura (Rate of Rise, RoR) en el núcleo del grano se expresa de la siguiente manera:

$m C_p \\frac{dT_s}{dt} = q_{cond} + q_{conv} + q_{rad} - Q_{evap} + Q_{rxn}$

Aquí, cada término representa los siguientes significados físicos:

• $q_{cond} = -k A \\nabla T$: Transferencia de calor conductiva directa entre la superficie del tambor y las partículas del grano de café.
• $q_{conv} = h A (T_g - T_s)$: Transferencia de calor convectiva entre el flujo de aire y la superficie del grano, donde el coeficiente de convección $h$ actúa como la fuerza impulsora en la etapa final del tueste.
• $q_{rad} = \\epsilon \\sigma A (T_{surr}^4 - T_s^4)$: El proceso de energía radiante emitida desde las paredes calientes del tambor que es absorbida por los granos.
• $Q_{evap} = \\frac{dm_w}{dt} \\Delta H_{vap}$: El calor latente masivo consumido para la evaporación del agua durante la fase inicial de secado.
• $Q_{rxn}$: El cambio de entalpía que ocurre durante las reacciones de Maillard y la descomposición térmica del ácido clorogénico; se requiere un control preciso, especialmente en la zona de reacción exotérmica cerca de los 200°C.

2. Modelado de la temperatura de transición vítrea $(T_g)$ y la transición de fase de la estructura de la pared celular

Los granos verdes mantienen un estado vítreo en un ambiente seco y pasan a un estado gomoso a medida que la humedad actúa como plastificante. En este punto, la temperatura de transición vítrea $(T_g)$ puede predecirse mediante la relación de Gordon-Taylor:

$\\frac{1}{T_g} = \\frac{w_1}{T_{g1}} + \\frac{w_2}{T_{g2}}$

Al comienzo del tueste, cuando el contenido de humedad $(w)$ es alto, la $T_g$ permanece baja, facilitando la deformación plástica de las paredes celulares. Sin embargo, a medida que el tueste avanza y la humedad se evapora rápidamente, la $T_g$ aumenta y la estructura se vuelve altamente quebradiza. La estructura porosa formada en este punto se encuentra en el rango de aproximadamente $\\epsilon \\approx 0.3 \\sim 0.5$, lo cual juega un papel decisivo en la ruta de difusión del ácido clorogénico y la liberación de los compuestos finales de sabor.

3. Vías de descomposición térmica del ácido clorogénico (CGA) y productos químicos

El ácido clorogénico (CGA), que modula la acidez y el amargor del café, experimenta su descomposición más activa entre los 160°C y los 200°C durante el tueste. La descomposición térmica del CGA procede a través de la siguiente vía, convirtiéndose en ácido quínico y ácido cafeico. Este proceso es sensible a los cambios de temperatura, y el espectro de acidez cambia a medida que aumenta el tiempo de tueste.

Rango de Temperatura	Reacción Química Principal	Características del Producto
160°C ~ 180°C	Hidrólisis del CGA	Generación de ácido quínico (Acidez) y ácido cafeico (Cuerpo)
190°C ~ 210°C	Lactonización	Lactonas de ácido quínico (Amargor moderado)
210°C en adelante	Polimerización de fenilindanos	Fenilindanos (Amargor muy fuerte y desagradable)

Los fenilindanos generados durante la etapa de tueste oscuro son estructuras condensadas resultantes de la descomposición térmica de las lactonas de ácido quínico, lo que hace que el amargor sea perceptible incluso en umbrales muy bajos. En consecuencia, el núcleo de la ciencia del tueste reside en controlar la $Q_{rxn}$ de la ecuación de balance energético para guiar al CGA hacia el rango del ácido quínico para una acidez y dulzor óptimos, o aplicar perfiles de temperatura físicos para suprimir la formación excesiva de fenilindanos. Dado que la eficiencia de transferencia de calor varía con los cambios en la porosidad interna después del primer crack —el punto donde la fragilidad de la estructura celular se maximiza—, el control preciso del coeficiente de transferencia de calor convectivo para regular la velocidad de descomposición térmica es esencial para un tueste de alta calidad.